全國中小學科展

高中組

新發現!!!鉛樹最初形狀及其生長速率的探討

一般鉛樹的製造大多以鋅片與醋酸鉛、硝酸鉛溶液反應,而在顯微鏡下觀察它們在幾分鐘內反應後,鉛樹的形狀相似嗎?哪些條件才能長出鉛樹最初形狀?哪些因素會影響鉛樹最初形狀?哪些是產生鉛樹最初生長的最快速率條件?哪些因素會影響鉛樹最初生長速?在加入添加物(一些酸、鹼、鹽類)產生沈澱物下,能歸納出鉛樹最初生長速率的機制嗎?這種在顯微鏡下微量的動態觀察實驗,在教學上的教育價值如何?這些一連串的問題,給了我們專研此問題的動機。

點滴

水滴靜止在桌面上時,不僅受到了重力、正向力、表面張力以及附著力,而其中附著力是高中課綱不曾深入探討過的,而我們也找不到和接觸面間位能有相關的理論,於是我們運用熱力學第二定律作為理論基礎,使用附著力能量型式的原創假設,並設計實驗來驗證。

有「氧」生活

每逢冬天寒流來襲、氣溫大幅下降之際,一氧化碳中毒事件總是在新聞媒體上頻傳。雖然目前市面上已經有許多的一氧化碳警報器,但一氧化碳中毒事件在新聞報紙上的篇幅卻不曾遞減,所以我們想要設計出一套擁有新功能的一氧化碳偵測器,來杜絕此類的悲劇。本系統是由一氧化碳感測器與微電腦控制電路,統稱中控電路,加上通風系統以及警報與操控電路結合而成,將一氧化碳偵測器感測的結果傳至中控電路,若一氧化碳濃度過高時中控電路接收到訊號後,就會自動開啟通風設備,利用窗戶的開啟加上排風機快速排除屋內的一氧化碳,大幅減少一氧化碳滯留於屋內的時間,排除人們因為吸入過多一氧化碳而中毒死亡的機會。 因本系統的防護機構是全自動作用,所以能排除各種不預期人為失誤而造成系統失效,做到全方位保護的作用。根據實驗本系統能在半分鐘內排除一氧化碳,效果良好,確實能避免一氧化碳中毒,固本系統能全面杜絕所有一氧化碳中毒事件。

動態規劃的推廣

我對動態規畫( Dynamic Programming )的認識起於奧林匹亞研習營,有一次的專題便是動態規畫,其主要的內容是說在解決某些問題時,要求的答案其值決定於前面的值,而「前面」的值又決定於更前面的值。於是須要從前面一步一步的求值。 \r 舉一個簡單的例:費氏數列在數學上定義成 \r f(0)=1 \r f(1)=1 \r f(x)=f(x-1)+f(x-2) \r 如果需要寫一個程式來計算的話,直覺的方法便是依照原本的定義,用遞迴來解決: \r int=f(intx) \r { \r if(x \r returen f(x-1)+f(x-2); \r } \r \r 若要計算 f ( 5 )的話,其過程可由右圖來表示。 f ( 5 )的值取決於 ft4 )及 f ( a ) , f ( 4 ) 的值取決於 f ( 3 )及 f ( 2 ) ,這裡我們可以發現到, f ( a )在 f ( s )及 f ( 4 )中分別計算了一次,這便是浪費。再看得更詳細一點, f ( l )計算了 5 次, f ( 0 )計算了 3 次,如此算下來,其增長的速度是很可怕的。 \r 事實上,既然 f ( x )的值取決於 f ( x 一 1 ) , f ( x 一 2 )而 f ( x 一 l )的值又取決於 f ( x 一 2 ) , f ( x 一 3 ) , 那麼,我們便可由 fto )、 f ( 1 )、 f ( 2 )、 f ( 3 )二算到 f ( x ) ,這樣的話,所花的時問就變成線性的了。 \r 這時候,程式中可放置一陣列,以儲存所得到的經驗,例如: \r int f(x) \r { \r int dp[max-x]; \r int, I; \r dp[ 0]=1; \r dp[ 1]=1; \r for(i=2; i \r { \r dp[ i]=dp[ i-1]+dp[i-2];//不必再遞迴了 \r } \r retum dp[x]; \r } \r 此外,動態規畫還有很多極為有趣的應用,因而,我展開了我的研究。

雨滴中的沉思

法國科學家Descartes曾經計算推導數千條光線在水滴中的行徑,得出虹在偏向角138°處及霓在偏向角231°處,出射光最強。然而卻沒有人真正的以實驗來驗證他的計算推論。因此,我們便想設計一些實驗來驗證他的計算推論。

「洪」色警戒

颱風來襲常常帶來驚人雨量,容易造成淹水、洪水等災情,民國98年芭瑪風災過後,我們實地考察蘭陽溪流域,流域內發生淹水或其他災情的地區主要有兩處,分別為上游的寒溪地區以及下游的五結地區。五結地區因為地勢較低而造成淹水,位在上游的寒溪地區卻也災情嚴重,所以選定寒溪為研究範圍。我們多次前往研究地區,量取河堤高、河道寬、經緯度…等數據,利用Google Earth影像輔助,讀取該地高度值。利用這些數據推算出河道容量、排洪能力、集水區大小,並討論在某定量雨量下,該地區的水位高度以及流速等數據。經過計算,在芭瑪颱風最大時雨量110mm/hr的情形下,寒溪地區的河道應該可以承受這些水量,發生潰堤的主因不是溢洪造成,而是水流的流速沖刷堤岸所導致。

就是懶得動手-機械手製作

本專題嘗試以低廉成本以及節省能源的方式,利用簡單的滑輪組、齒輪組的設計與製作,期望能將機械手的製造,變的更加簡易。從設計圖繪製、材料蒐集、零組件製作、安裝零組件到實驗設計、數據紀錄分析、優缺點比較,控制器轉盤製作、麵包板電路設計及連接皆由小組成員集思廣益,嘗試錯誤與學習,親自實做出科展成品。我們利用文獻上尚未見過的、自己設計的「線材-馬達牽引」方式,取代傳統的四連桿、油壓桿驅動方式,製作出創新的機械手。本小組不但製作「功能測試版機械手」測試機械手的各項基本功能、比較材質或動力的優劣,更根據區域科展時教授給的建議及批評,對於部分細節進行改良,我們自行設計規格化的零件、底板,也與老師共同研發出迎合實務需求的「應用版機械手」的兩種新控制方式:圓盤自動控制系統及麵包板 IC 電路互動系統。以偏向自動化的控制方式,避免線路複雜、整理費工、人為操控不精準的種種問題及缺點,拉進與「以機械手取代人工」這個夢想的距離。

鳴蟲的超級星光大道

本研究針對日常生活中時常發現的鳴蟲,其中又以直翅目的昆蟲為主,直翅目的昆蟲都具有鳴叫的能力且有許多共通的構造,所以將對他們進行飼養與觀察。藉此得以比較他們的生活史、生活環境、覓食方式、擬態能力、彈跳力的比較、發聲方式、攀附力的比較、聲音差異。本實驗所使用之數據皆為觀察多次所得結果的平均值,故不會因為觀察之蟲類大小不一而有所差異。

黑棘蟻棲地選擇喜好之探討

本實驗欲探討黑棘蟻之擇巢因素,分為「光線」「空間」與「決策」三大方向探討,共設計17個實驗。「光線」部分的實驗結果發現,因膜翅目昆蟲缺乏紅色感光能力,所以巢內色光波長愈長,入住率愈高。而巢內照度愈低,黑棘蟻的入住率愈高,實驗得到其照度與入住率關係為y=-247.94x+109.82。「空間」部分發現黑棘蟻的擇巢行為與巢穴形狀無關,而三角型柱的人工巢穴寬度以2公分最具效益,黑棘蟻數量則與長度成正比的關係。「決策」部分主要在探討擇巢行為中,工蟻與蟻后各自扮演的角色,結果發現工蟻對巢穴較隨遇而安,且具有執行力,蟻后選巢較嚴苛,有決策力但不具執行力,而且不喜歡更換環境。以上結果對黑棘蟻人工巢穴的設計可作為重要的參考依據。

螢光捕手

高中課本的秒錶實驗以I2和澱粉產生的藍色作為反應結束的依據,但此實驗在高溫因藍色物質無法出現而難以判斷反應完成,本研究以白蘭洗衣精中的螢光劑和螢光筆中的螢光液取代高中秒錶實驗的澱粉液,螢光劑中的螢光遇到I2則螢光消失,且在高溫中仍能反應,利用此特性使反應在高溫中仍能繼續進行,以螢光消失為基準從而判定反應完成。成功的改進此實驗在高溫無法判斷反應完成的缺失,並且找出各螢光劑最容易觀察之反應組合。以洗衣精中的螢光劑進行實驗溫度可達60℃,以螢光筆中的螢光液更可達80℃。