全國中小學科展

高中組

Hofstadter-Conway $10000 數列

某一次在YLL 數學網站看到一串數列如下: 1,1,2,2,3,4,4,4,5,6, □------------□為多少?這可讓我想破頭了,最後得知□為7。我當時並不知道為什麼,但是看了解釋之後,得知數列剛開始為1,1,那第三項怎麼來?數列最後一個數為”1”,表示由數列數來第”一”個數加上數列由後數來第”一”個數,所以第三個為2,數列變為1,1,2,第四項怎麼來?數列最後一個數為”2”,表示數列第”二”個數加上由後數來第”二”個數,所以a4=1+1=2。因此有此關係: 其中 a1 =1, a2 =1。後來我去網路上,發現此數列曾經上過紐約時代雜誌科學頭版,是什麼原因能夠上美國時代雜誌科學頭版,在此不詳述。 在mathworld 網站查此數列,結果發現真的有這種數列,名稱為 Hofstadter-Conway $10,000 Sequence。

振盪藍色小精靈

『藍瓶反應』以亞甲藍從藍色(氧化)←→無色(還原)瞬間的變化令人稱奇。從現有的資料我們已知藍瓶反應中,會變色是因為有可以繼續氧化的官能基,在其官能基附近有拉電子基的存在,所以能夠產生顏色變化。架設好實驗設施後,我們改變搖晃頻率,希望尋找出最佳的搖動頻率。反應時使用LED(白光)對實驗分析採集器的光感應器照光,來觀察光度變化量與反應時間。我們利用此實驗裝置可以準確的得到,藍瓶反應在不同質量下的葡萄糖、不同濃度的氫氧化鈉、不同體積的亞甲藍、不同溶氧量反應時的反應速率定律式,而我們最後實驗所得的反應速率定律式: R=k[C6H12O6]-2[NaOH]1[O2]2。利用改變溫度下的條件求得活化能。最後使用刃天青來進行紅瓶反應,比較藍瓶與紅瓶反應的差異。

簡易方法測定溶液蒸發壓

在高中化學第一冊第五章,我們首次接觸到「溶液蒸氣壓」,它立刻挑起了我們濃厚的興趣,但實驗課本中沒有任何一個有關溶液蒸氣壓的實驗,於是我們找了一些測量蒸氣壓的方法,如下圖(一)、(二): \r \r 但方法(一)中,需使用真空幫浦,成本較高。方法(二)中,水銀裝置暴露於空氣中,因此我們測量蒸氣壓對溫度的關係時,水銀蒸氣容易逸出而造成汞蒸氣污染。因此我們想出一種既簡便又安全的方法來測量溶液的蒸氣壓。

放線菌對玉米生長之影響及其機制的探討

市售玉米肥料中含有放線菌,因此我們推論放線菌能促進玉米生長,而我們對放線菌如何影響玉米的生長機制感到好奇,進而設計實驗探討其原因。首先,我們自玉米田中採取較高大的玉米植株基部土壤,由土壤中分離出各種放線菌,再以不同的放線菌處理玉米種子並種植,接著觀察各植株之鮮重與株高間的差異,以複式顯微鏡觀察莖部組織的變化以及測定其IAA分泌量,並加以鑑定。我們觀察到有些種類的放線菌能使玉米葉鞘的維管束組織及薄壁細胞增多,進而促進值株對水分及養分的運輸、而有些種類的放線菌亦會分泌促進植物生長的激素,如IAA。

化『錐』為『球』

正多面體有五種,而阿基米德多面體有 21 種之多,其中有些阿基米德多面體可以由正多面體切除「角」而產生;亦即把正多面體的每稜邊取中點後連線,然後去除各頂點的角。 以正四面體開始,截角可以得到正八面體,再截角可得 3,3,4,4 多面體。如果繼續截角,當步驟趨近於無限大時,會得到何種立體圖形?是球嗎? 本研究先觀察此系列多面體的特性,以計算體積法、導出頂點之坐標來求得其極限值,但因體積變化無規律、頂點坐標有多餘解而無法直接求得結果。進而將此系列多面體投影於xy平面上,發現其具有4×2 k 邊形的投影形狀,並且上下左右對稱。故將此投影形狀坐標化後,可求出各點之坐標,代入二次曲線一般式中,得拋物線,即極限之形狀並不是球。

逸而散

在 HCl、NH3 氣體擴散的實驗中,我們遭遇多次失敗的經驗,希望能尋求更適合的實驗方式,以探討氣體擴散現象。 於大氣壓力下測量擴散所減少的體積之實驗,不但計算結果具有較高的精確性,而且其裝置便宜易組裝,應為較理想的實驗裝置。其裝置之照片如下:

「0」「1」世界

在一nxn的方格表中,每一格子填入數字0或1,使得任意兩行和任意兩列相交的四個方格中,至少填入一個0,試求可填入1的個數之最大值(即M(n))。研究方向主要是以排列組合的方法進行探討,並透過柯西不等式推導出M(n)的上界。在相同的限制條件下,推廣至任意的行數與列數所造的矩形方格表中,利用填入的1的技巧,及相關聯的數學通式,得出M(mxn)之上、下界。

大姬蜘行為與適應之研究

大姬蜘屬姬蜘科中較常見的一種,常分布在具有一定空間且為直立平行或相交的枝幹間(例如:人工步道邊的護欄間)。背頂的金色斑點和黑色的腹尖為最大的特徵;與有一「紅色心臟斑」的日本姬蜘相比,兩者網形和分布有所不同,日本姬蜘網的底部尚有一盤狀緻密形網。大姬蜘結網時會先結主架構,再牽許多細絲;網的架構略有一棚狀開口。待獵物入網後,先將其麻醉,吐絲纏繞獵物,以利食用。大姬蜘有主動將葉片搬置於網中以利隱蔽的行為。大姬蜘在安置隱蔽物時會以分段式搬運,並以蛛絲固定於網中。受到觸碰時,大姬蜘有牽垂絲掉落假死的避敵模式,若將其垂絲燒斷,一定距離內其能靠氣味回網。

精密光學鎖

鎖的設計方式種類繁多,有機械鎖、磁性鎖、電子鎖、指紋鎖等方式,一般傳統的機械鎖容易被撬開,而電子式的密碼鎖則可以利用嚐試錯誤的方式來破解,傳統上的鎖較少利用光學方式來設計製作。物理老師在上課時有提過全像光學鎖的設計,它是利用雷射的干涉現象來製作的鎖,運用光的二元隨機相位來編碼,就很難被破解。學校物理課程有上過幾何光學,光線具有反射與折射的性質,因此我們想設計一個利用光學控制的鎖,初步的構想是利用光敏電阻來感測光的存在,利用一個圓柱型的導光壓克力棒,在圓棒上的特定位置上加工有刻痕孔洞,由於光線在圓棒內傳導時,有全反射的現象,當光線射到加工刻痕時,因為入射角度關係,光線會經由刻痕透出,再經光敏電阻感應後透過邏輯電路計算達到開鎖的功能。我們先設計光敏電阻感應光線的實驗裝置,了解光線經由不同位置孔洞洩漏出來的程度,及可能互相干擾的情況,最後根據實驗的結果,修改光敏電阻的排列方式,並搭配邏輯電路的設計製作,完成一組光學感應鎖。

螢光乍現的真相探索

本實驗利用 CD 片、光感測器與數位相機自製一個簡易的螢光測定裝置,針對光敏靈系統及各種螢光棒進行發光探討,除了進行各反應物濃度變因的研究外,更深一層地測量螢光波長及強度變化、拍攝螢光繞射條紋,並探討添加染料(螢光黃、薔薇紅)、非水溶劑(醇類、胺類、丙酮及DMSO)、雙氧水催化劑(鉛、銅、錳氧化物及鐵離子)及以其他Fe\r 鹽錯合物(黃血鹽、Na3Fe(C2O4)3、NaFe(EDTA))等代替赤血鹽對光敏靈發光現象的影響,最後我們透過各種離子溶液的呈色檢測發現赤血鹽離子[Fe(CN)63 -]在發光系統中會轉變成二價的黃血鹽離子 [Fe(CN)6]4 -,既作氧化劑也作催化劑,更是光敏靈發出螢光反應的關鍵物質。