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高中組

新型葉綠素電池的研究與開發

本研究效法自然法則光合作用「光反應系統二」註1內,葉綠素受光照激發出電子的機制,應用在電池發電,有低成本、環保且製程簡易的優點。本作品中分為以下幾項研究:一、不同電解液對電池發電影響,以KI-I2(aq)電解液其提升效果較佳。二、不同色光對電池發電影響,紅光下發電效果較佳。三、將葉綠素電池與DSSC(Dye-Sensitized Solar Cell)染料敏化電池做比較,發現葉綠素受光可自行激發電子產生電能,而其他光敏劑則必須要TiO2 薄膜的支持才可有效利用。四、添加奈米金以吸附葉綠素提升吸光表面積,並加強葉綠素激發電子的效力。實驗發現奈米金有助於提升葉綠素電池發電效果。

必歐─沙伐定律( Biot - savart' Law)之驗證

1820 年,丹麥物理學家奧斯特( Orested )首先發現載有電流導線附近之磁針,會偏離南北的方向。同年,法國物理學家必歐和沙伐,兩人建立了帶電流的極小段導體附近所產生磁場的數學公式──必歐──沙伐定律,其內容如下: 其向量形式則為 (上面二式表示:設任一彎曲導線上電流為i,取線基素,其方向為沿導線的切線電流流動的方向。為電流基素i在P點所建立的磁場,是此基素至P點的位置,則是與間的夾角。) 這是一個重要而基本的電磁學定律,很遺憾,在高中與大學的物理教材裡,卻找不到如何驗證此定律的實驗資料。

電磁砲

線圈槍/炮指的是一種由電流通過的電磁線圈組成的直線電動機,將發射物發射出去的武器。這類武器可以將具有磁性的發射物提升到極高的速度。有時這種武器會被稱為高斯槍/炮,是為了紀念用數學方法描述電磁加速效應的卡爾 ? 弗里德里希 ? 高斯。 電磁炮是由一個或多個線圈,沿著槍管直線排列而組成,如下圖,線圈依次開關以確保發射物得到磁場的充分加速,就是當物體接近螺線圈時電容放電,遠離螺線圈時放電完畢。電磁炮並不是軌道炮(註1),後者會在軌道上給發射物通上強大的電流,且兩者的原理也不盡相同。第一個實用的電磁炮是由挪威物理學家克里斯蒂‧安奧拉夫‧伯克蘭製造和申請專利。 什麼是電磁炮或高斯槍?它是由一個管子加速一磁性物體。貫穿一系列電磁線圈(如電磁閥)。沒有火花或噪音和其它的副作用(如部件磨損)。經過精密的定時電路,依序激發每個線圈,這項原則可使發射體的速度迅速增加。 為什麼要建造電磁炮?它含有許多基本磁力機械的概念。電磁炮是一個簡單的直線馬達的例子,也是螺線管裡最重要的一個例子。這些螺線管看起來幾乎無處不在,從汽車門鎖到門鈴,從軟盤驅動噴射器到燃油噴射器。唯一不同的是,大多數螺線管的設計限制物體移動範圍,而且通常有一個彈簧使它彈回。 雖然電磁炮沒有工業應用,但目前有些人建議,這個系統可以用來發射在有效載荷範圍內的物體,並將之送入軌道。這是極具吸引力的,但還有許多技術上的挑戰,需要加以解決,才能被認為是可行的項目。更現實的應用例如(一) 利用一個長型電磁炮加速器,來啟動車輛,並給它一個初始速度,在離開電磁炮加速器時,讓車輛啟動本身的推進器,並使之進入軌道。這種啟動模式可以大大節省燃料成本。(二)從軍事角度來看電磁炮技術可以使用在未來作戰車輛,例如,它可以設計成一種所謂的'主動電磁裝甲'系統。超高速發射仍然是軌道炮(註1)的領域,如果有再進行研究的話。它可能令你驚訝地感到,電磁炮是新鮮事。

神秘的黑色物質—談談銅與濃硫酸的反應

當我們在課堂上進行高中化學第三冊,第四個實驗--「硫酸及硝酸」時,依著實驗步驟,我們將銅片加入濃硫酸中並加熱之 並期待著Cu + H2SO4→CuSO4 + SO2 + H2O的化學反應,結果我們看見了SO2的氣泡生成,但並沒有看見藍色的Cu2+出現,反而出現了黑色的固體顆粒,顯示除了Cu + H2SO4→CuSO4 + SO2 + H2O外,可能還存在著其他反應。因而引起我們探討的興趣。

當我們「聚」在一起-談膠體溶液的凝析現象及應用

化學課本裡總是籠統的指出,當膠體溶液加入電解質,便會產生凝析的現象;但從實際在日常生活中的例子,發現並非所有電解質皆會使膠體溶液產生凝析現象。我們嘗試找出那些因素在影響膠體溶液的凝析作用,並分析造成膠體溶液凝析現象的成因,同時進一步利用膠體溶液的特殊性來發展可能的應用。研究結果發現,膠體溶液中溶質的種類影響凝析的與否;牛奶及豆漿中所含蛋白質類的膠體在水溶液中帶有負電荷,其凝析現象環境的pH 值有關。但在不同鹽類溶液中,蛋白質膠體的凝析現象有所不同,可能因為蛋白質具複雜的四級結構,許多反應無法以單一的因素歸納分析解釋。澱粉類膠體本身不帶電,但Ca(OH)2、Ba(OH)2、SO42- 會使澱粉發生凝析。而墨汁膠體粒子的凝析則是對Na+離子有特異性。氫氧化鐵及氫氧化鋁為無機膠體溶液,實驗結果符合課本中對膠體溶液性質的描述。本研究也進一步利用膠體溶液的特性來發展其可能的應用;即利用氫氧化鐵膠體粒子吸附正電荷之特性,來吸附重金屬離子,再利用將濾紙層析法濾去重金屬離子,故在稀薄、無法產生沉澱的情況下,以濾紙層析應是為一種分離重金屬離子的好方法。最後,膠體溶液因成分不同,本身結構與化學性質也不同,因此對不同的試劑便會有不同的反應結果,所以對於膠體溶液是不能以一種理論概括所有的凝析現象。

神奇暖暖包—醋酸鈉結晶之研究

本研究以市售可重複使用熱敷包之結晶觸發與結晶成長為研究主體。由實驗推測此熱敷包中之醋酸鈉水溶液應為一過飽和之過冷溶液,以手折金屬片,可能因其裂隙釋出晶種,使其結晶;同時溶液迅速轉變為固體並放熱。實驗結果顯示,在結晶觸發及成長的過程中:(1)醋酸鈉的濃度越高,越容易觸發結晶、結晶成長速率較快,且結晶後熱敷包升高至較高溫度。(2)在熱敷包中添加醋酸鈉之同離子,發現較難觸發其結晶、結晶後溫度上升程度較低且結晶成長速率亦明顯減緩。(3)在不同溫度下,嘗試觸發熱敷包結晶,發現高溫下極難觸發,在結晶成長過程中,在5~45℃ 間以25℃時結晶成長速率最快。

藍!不藍--碘之秒錶反應及化學波之研究

秒錶反應實驗中,我們研究濃度和溫度二效應對反應速率的影響是利用碘酸根離子( IO3 -1)和亞硫酸氫根離子 (HSO3 -l )作用。以澱粉為指示劑測定碘分子生成速率,老師告訴我們若藍色出現時間太長,則在亞硫酸氫根離子溶液中加入少許 Na2S2O2或 H2SO4,反之若藍色出現太快,則將IO3 -1離子溶液稀釋,對這些藍色出現的複雜反應我們感到很疑惑,同時由氧化還原電位表得知H3AsO3,亦可還原IO3 -1,那麼編 H3AsO3與IO3 -1 反應是否也與秒錶反應相同呢?因此引起我們對這種複雜反應研究的興趣,而自行設計實驗,藉以揭開藍色出現之謎底。

電腦(1A2B)猜數字遊戲的策略

在1A2B猜數字遊戲,人和人的對抗中發現,人的思考方式有抽象的傾向,不能對龐大的資料進行判斷處理。所以利用電腦高度的運算能力來克服上述的缺點,發展出一套獨特的思考路線。看是否能因此思考方向而推出一套「不敗」的公式。

眼見不為憑:光合色素的濾紙層析分離

本研究使用非洲鳳仙花葉片為材料,萃取其色素進行光合色素濾紙層析分離實驗,研究不同展開液比例、不同材料處理方式、不同氣溫下的色素展開情形。結果發現: 1. 展開液中丙酮、石油醚、水三者的比例適當,即有良好的色素分離效果。 2. 色素的移動距離是胡蘿蔔素>色素X>葉綠素a>葉綠素b>葉黃素。 3. 在15℃以下,使用90%丙酮:石油醚=2:8或80%丙酮:石油醚=2:8展開液可分離出葉黃素。 4. 以新鮮材料萃取色素較麻煩費時,但結果較無色素衍生物,顏色亦較為鮮明。 5. 濾紙層析大約進行十五分鐘就可以分離出四種色素。 6. 同一層析實驗中,各種色素的Rf值並非定值,而是隨著時間改變。 7. 在20℃至30℃,展開液在濾紙上升的高度皆隨溫度的上升而減少。不同的溫度下,色素展開效果及各色素的Rf值不同。

溫度與鹽度變化對室內外養殖白蝦生長之影響

本研究目的在探討溫度與鹽度變化對室內外養殖白蝦生長之影響。實驗共分為兩階段。第一階段將白蝦分別以四種海水鹽度 30ppt、20ppt、10ppt、0ppt 飼養三個月,各鹽度均有三缸重複組,並加以比較各海水鹽度環境下其成長率(Growth rate)、換肉率(FCR)、肥滿度、活存率(Survival rate)以及活存率和成長率的乘積值之差異。成長率(Growth rate)方面,以海水鹽度10ppt 成長率最高:三缸平均1697.73%,其次為30ppt 的 1665.31%、0ppt 的 1408.71%、以及 20ppt 的 1404.29%。換肉率(FCR)方面,以海水鹽度 30ppt 最低(最佳);換肉率為 1.81,其次為 10ppt 的1.86、20ppt 的 2.01、以及 0ppt 的 2.30。肥滿度方面,以海水鹽度 30ppt 最高;肥滿度為0.0002485(g/mm)3,其次為 20ppt 的0.0002373(g/mm)3、10ppt 的0.0001964(g/mm)3、以及 0ppt 的0.0001605(g/mm)3。活存率(Survival rate)方面,以 30ppt 最高;活存率為 94%,其次為 20ppt 的 90%、以及 10ppt 與 0ppt 的 88%。活存率和成長率的乘積值方面,以 30ppt 最高;乘積值為 15.73,其次為 10ppt 的 14.90,接著是 20ppt 的12.64 和 0ppt 的 12.37。第二階段分四組,一組為模擬室外養殖(變溫變鹽),一組為室內養殖(恆溫恆鹽),另兩組為對照比較鹽度和溫度對白蝦生長差異(恆溫變鹽、變溫恆鹽),各組均有三缸重複,並加以比較各模擬環境下其成長率(Growth rate)、換肉率(FCR)、肥滿度、活存率(Survival rate)以及活存率和成長率的乘積值之差異。成長率(Growth rate)方面,以恆溫變鹽組成長最高;三缸平均2060.42%,其次為變溫變鹽組的2020.73%、變溫恆鹽組的1844.88%、以及恆溫恆鹽組的1748.66%。換肉率(FCR)方面,以恆溫變鹽組最低(最佳);換肉率為3.21,其次為變溫變鹽組的3.26、變溫恆鹽組的3.37、以及恆溫恆鹽組的3.41。肥滿度方面,以恆溫變鹽組最高;肥滿度為0.0004800(g/mm)3,其次為變溫變鹽組的0.0004150(g/mm)3、變溫恆鹽組的 0.0003582(g/mm)3、以及恆溫恆鹽組的 0.0003330(g/mm)3。活存率(Survival rate)方面,以恆溫恆鹽組最佳;活存率為 89%、其次為變溫恆鹽組的83%、恆溫變鹽組的 82%、變溫變鹽組的 77%。活存率和成長率的乘積值方面,以恆溫變鹽組最佳;乘積值為16.95,其次為恆溫恆鹽組的 15.59、變溫變鹽組的 15.41、以及變溫恆鹽組的 15.25。由第一階段結果得知,各種不同海水鹽度對於白蝦生長好壞有一定的影響。海水鹽度30ppt 者除了在成長率方面與 10ppt 並列第一(因彼此不具顯著性差異)外,其他各方面皆為最好,其中活存率和成長率的乘積值最高,代表在本實驗中以海水鹽度 30ppt 者有最高的收成產量,加上其FCR(飼料相對成本)最低,能達到最大之淨收入(經濟效益)。分析第二階段結果得知:第一,活存率方面,不管在恆鹽組或變鹽組的環境之下,恆溫兩組的活存率皆明顯高於變溫兩組(皆具有顯著性差異),因此我們推論溫度的變化會對蝦體造成緊迫(stress)而造成其活存率降低;第二,成長率方面,無論在恆溫組或變溫組的環境之下,變鹽兩組的成長率皆較恆鹽兩組為佳,足見我們模擬換算民國九十年七?九月(納莉颱風前)室外降蒸量的鹽度變化(+0.3ppt?-3.6ppt)有刺激其成長的現象;但實驗也發現,變溫變鹽組之活存率為四組最低,尤其是在模擬納莉暴雨的鹽度變化後,其活存率大幅下降了 7%,和變溫恆鹽組做比較,這段時間組活存率完全沒有下降,可見鹽度的變化也會造成蝦體的緊迫,造成活存率降低,印證了陳秀男等人(2000)的研究結果。綜合第一、二階段的結果可知,以穩定海水鹽度 30ppt 養殖的經濟效益較佳,故不需額外耗費淡水進行全淡水及半淡鹹水養殖;然而即使養殖戶在室外養殖池使用了全海水養殖,由本實驗模擬室外養殖受到全球氣候變遷的影響,造成其海水溫度、鹽度變化的結果(變溫變鹽)看來,雖然其成長率尚佳,為四組中第二,但是其活存率實在太低,使得其最後的收成產量低於室內養殖的兩處理組(恆溫恆鹽、恆溫變鹽);而在兩種環境變因組合的四種環境中,若就收成產量而論,是以室內養殖恆溫變鹽較佳,所以如果養殖戶較注重養殖經濟效益,且淡水資源又允許的情況下,是可以進行室內養殖恆定溫度,再施予些許鹽度變化刺激其成長的,因其耗費淡水的量遠遠不及全淡水和半淡鹹水養殖的量大,但其鹽度變化是模擬嘉義地區民國九十年七?九月的降蒸量演算出來的,不一定為最適切之鹽度變化量,確切的鹽度變化量還有待未來各進一步研究;另一方面,若從資源保護來看,台灣地區淡水日漸枯竭,如養殖重鎮之一的嘉義,今年由於久旱不雨,水庫剩餘水量僅達可蓄水量的百分之十到二十,已經開始實施線水措施(2002.4.19,台視新聞);而在地狹人稠的西部平原,土地資源也早已不足,禁不起養殖戶四處遷移室外養殖池的浪費行為;故為了更有效節約資源,所以養殖戶如能使用全海水室內養殖,恆定其溫度與鹽度,本實驗的高活存率及超集約放養密度(約125 隻/m2,為一般室外超集約養殖的兩倍多)能比室外養殖帶來更高的收成產量,也最能節省寶貴的淡水及土地資源。模擬室外(變溫變鹽)組的活存率和成長率的乘積值尤低,表示對白蝦的生物量有相當負面的影響;又由本實驗結果可知,在一般天候的狀況下,溫度對其活存率影響較劇,而全球氣候變遷造成聖嬰及反聖嬰現象發生頻率漸趨頻繁,造成東太平洋赤道附近海域海水異常增溫與降溫,可能會對東太平洋赤道附近海域中的水生物種造成相似之負面影響;聖嬰及反聖嬰現象亦會暴雨和乾旱發生的頻率增高,造成海水鹽度超出一般情形的劇烈變化,會對沿岸及近海生態系中的水生物種造成相似的負面影響,進而使得水域及陸地的食物網平衡遭到直接或間接的破壞,對全球生態更是無可挽回的衝擊,為此,我們必須更加注重環境保育的課題,穩定日益嚴重之全球氣候變遷,以達到人類與環境共存共榮的永續經營目標。