全國中小學科展

高中組

實驗數據繪圖處理系統

做完冗長的物理或化學實驗後,最急須處理,也最令人頭痛的就是一堆雜亂無章的數據!在漫無頭緒中想儘快的判斷實驗的結果是否正確,實驗數據之間有沒有規律性存在,就必須正確地選擇處理數據的方法,一般來說,如果實驗的數值,能以圖形的方式代表達,其結果必能予人一目了然的感覺,但是一群原始的數據究竟要經過怎樣的處理步驟,才能轉變成簡潔易懂的圖形呢?\r 以一般人工的處理方式,至少必須按照下列步驟進行,才有可能在方格紙上繪圖。\r ( l )將兩組相關的數據,分別定為 X 軸資料及 Y 軸資料。\r ( 2 )將實驗的需求將數據做適當的轉換處理,例如做倒數處理,或做指數轉換。\r ( 3 )將 X 軸資料及 Y 軸資料分別由大到小排列,找出最大及最小值,以決定方格紙內每格間距所代表的大小。\r ( 4 )將數值在方格紙上描點。\r 但是在進行過程中,經常會碰到下列問題:\r ( l )圖形畫到一半時,突然發現, X 軸和 Y 軸資料必須互換,或 X 軸資料應該取對數而不是取倒數等,則所有步驟全功盡棄,必須從頭開始。\r ( 2 )描點後的圖形,點和點之問有許多未測量的 X , Y 值,用怎樣的方法,把它們連成圓滑的曲線?\r ( 3 )若知道圖形資料應為一直線,二次方曲線或多次方曲線,又應根據什麼原理來描繪最佳的直線或曲線?\r ( 4 )若須求取內差值,則應如何由已知的點,導出最合理的方程式,來求取未測量值呢?\r 從上列的狀況,不難發現從處理實驗數據到繪圖製表,是一項既煩又雜的工作,但是這些工作,若交由快速運算,立即排序,迅速繪圖,及存取容易的電腦來處理,就變成一件輕而易舉的事,於是乎有“實驗數據繪圖處理系統”的產生。

電潤濕

這是一個研究水珠受到外加電場而改變形狀的實驗,我們利用儀器,組成一「水滴微觀平台裝置」,再加以電場,並對以下變因進行實驗: (a)水量及溼度的改變。 (b)電場(電極間的電壓、距離、及正極負極的位置) (c)水珠(NaNO3 水溶液、NaCl 水溶液、RO 逆滲透水、二次去離子水)。 我們在固定溼度(84%)及溫度(25℃)下進行實驗。進而,我們發現,外加的鉛直方向電場不論正負極位於上或下,都較未加電場時不易變扁;當水珠使用NaCl 水溶液時,其濃度與水珠的變扁速率有密切關係。因此我們又更進一步地取了 NaNO3 水溶液進行實驗,發現NaNO3 較NaCl 更易受影響。

揭開抗輻射奇異球菌的神秘面紗--初探抗輻射奇異球菌之抗紫外線機制

抗輻射奇異球菌(Deinococcus radiodurans)是一株具有高度抗游離輻射與紫外光的細菌,我們使用從食品工業研究所購得之抗輻射奇異球菌(Deinococcus radiodurans BCRC12827),利用基礎的分子生物技術,以釐清奇異球菌抗輻射的機制為目標來設計一連串的實驗。包括碳源鑑定、碳源最適化分析(最佳碳源濃度/最適抗紫外線作用強度)等,再將這些基本的特性設計進階的分生試驗來找尋我們想知道的答案。本實驗結果顯示抗輻射奇異球菌之抗紫外線作用與S-layer protein有關;碳源的不同能帶給抗輻射奇異球菌不同對抗紫外線破壞的抗性,其中與細胞生長良好、多種蛋白質的產生、細胞壁的外膜S-layer protein的大量表現等有關;碳源利用率與所產生的色素和抗紫外線的破壞不成正比,推測抗輻射奇異球菌的抗輻射能力非單一因素有關。

漩渦及石頭

去年一月二十三日,台北自來水處,因放水清理雙溪水壩淨水場的垃圾,未先示警,造成外雙溪河谷河水暴漲,使得在溪底烤肉和戲水的師生們,在亳無準備的情況下,被這突如其來的洪水所衝擊,造成十人死亡,六人失蹤的慘劇。這是一件不應發生而發生的慘劇,十六個無辜的生命,就這樣犧牲了,不僅死者家屬悲慟不已,社會公眾也莫不表示同情。在哀傷之餘,令人訝異的是,罹難者中大多數會游泳,可是為何仍遭滅頂呢?根據報導,其喪生的主要原因是由於不諳水性,不知激渦的特性,無法克制水渦的衝擊力,而被水渦拖入,再被亂石碰傷溺斃的,再次就是同年九月三日嘉南地區夜半忽然雷電交加,大雨接連而至,在短短的幾個小時內,嘉義雨量高達三百七十三公釐,山洪暴發、河流暴漲、堤防潰決、牆倒屋塌、路基流失、鐵路淹沒,魚塭、稻田沖毀數百公頃,損失一億餘元。鐵路公路交通多處中斷。在驚魂未定之餘,隨即又發生如此駭人可怕之天災,令人不勝唏噓,究其成因,都是水流造成的災害,水渦是什麼呢?竟有如此巨大的催毀能量,它的特性又是什麼呢?這激發了我們研究此項的動機。

綠能新希望!--纖維酒精有效製程之研究

嗜高溫好氧菌Geobacillus thermoleovorans T4,是被報導具纖維素分解能力的菌株,但僅止於學術研究階段。本研究成功地應用於廢棄纖維素的轉化,並獲得二重要結果:第一,T4菌株可將稻桿與稻穀殼分解為還原醣;調整培養基氮碳比、纖維預先蒸煮及以臭氧斷鏈皆可有效提升還原醣產率;纖維素轉化為還原醣最佳化條件為稻穀殼先高溫蒸煮爆碎,在氮碳比為1:7的培養基中,pH=6、65℃時,還原醣產率可高達69.81%。第二,未以臭氧,將T4菌株反應後之稻穀殼溶液,植入30mL、有高的酒精耐受度(30%以上)的Saccharomyces diastaticus菌株反應72 hrs後,酒精發酵率高達79.89 %。換言之,目前本研究纖維酒精產率至少可達28%以上,而且製程中產能與耗能確可達到綠色能源訴求。圖1.為自製生質酒精反應器,初步已有24%的轉化效果。

固態結構的導熱性質之探討

實驗動機與目的 熱是能的一種形式,在固態的物質中,原子的振盪表現了熱,振盪能量的轉移造成了熱能的傳導。在電的非導體中,熱能的傳遞全靠聲子的傳遞,如果分子的固態結構諧和,依聲子的速度,固態結構的導熱率應該相當大。但是因為分子的排列非完美,及聲子的碰撞的反跳過程,所以固態結構的導熱率非常有限。不同的固熊結構對聲子的散射也不同,所以各種固體的導熱率也不同。因此我們做了一系列的推論與實驗,來了解電的非導體中,固態結構如何影響導熱率。另外,對電的導體來說,自由電子與聲子的碰撞造成能量的轉移,自由電子的運動使導體的導熱率增加。我們也設計了實驗,來了解自由電子的運動對增加導熱率的貢獻。

迴旋鏢

本實驗以厚紙板為原料,作各種不同的迴旋鏢,改變其長度、中心凹凸程度、傾斜程度、邊緣膠帶的圈數與纏繞膠帶的位置,以捲尺和碼錶量測其迴旋半徑及時間,觀察其飛行軌跡、週期和迴旋半徑之間的關係。由討論數據變化之趨勢,及引進白努利定律、牛頓運動定律來解釋迴旋鏢軌跡變化與力的關係,希望進而了解如何設計出適合各種環境的迴旋鏢。

水質監測-水生生物與重金屬之分析研究

台灣從傳統的農業社會蛻變轉型,邁入經濟發達的現代化工商業社會,雖然有了如此般的經濟奇蹟,卻也因此葬送了寶貴的生態環境;許多人對於林園的第一印象總是與「汙染」劃上等號,但在林園工業區旁的那一大片濕地卻鮮少有人知道,濕地中有許多水生動植物(例如:蒼燕鷗、海茄苳、水筆仔…等),對林園人來說無疑是在水質淨化與監測上扮演了十分重要的角色。

裡應外合─揭開「菩提子」的奧祕

在國中的時候發現菩提樹上結了許多果子,奇怪的是為何從來沒看過菩提樹「開花」?上了高中以後,經過生物老師的協助,收集到了一些桑科榕屬植物的資料,對於「隱頭花序」有了初步的了解。但是,有關菩提樹的資料幾乎沒有,因此,決定著手從事這一方面的研究,希望能夠揭開菩提樹「榕果 」(以下皆簡稱為「菩提子」)的神祕面紗。

動流體間阻力探討

在某一次的打掃時間,不小心將水桶打翻,所有的水都從四樓落下,看到\r 這天雨散花的一刻,我們對這些液滴有很大的好奇:在空氣阻力的作用下,她是\r 否為圓形呢?大小不同的她們是否同時落地呢?這些是否牴觸伽利略在比薩斜\r 塔上所做的實驗結果:不論輕物重物皆同時落地?\r 在一個偶然的機會,物理老師林老師在課堂上表演了一次「油水實驗※」,\r 我們因此做了聯想,可以用油水互不相容的特性來做我們的實驗,一方面可以滿\r 足我們的好奇心,另一方面也解決了下落(終端)速度過快的困難,展開了重重困\r 難的科展旅程!\r ※油水實驗:首先知道酒精、油、水的密度分別不同,又因為油與水、酒精不相\r 溶,但酒精又可以溶於水中,於是一開始放滿油,在調整水:酒精的質量比,調\r 至與油近似後,倒入油中後,再微量加入酒精或水,使得水酒精混和液滴在油中\r 上上下下,因而觀察到他的形狀非標準的球型。