全國中小學科展

高中組

魚的條件反射之探討

條件反射是什麼呢?條件反射為生理學中的一種行為過程。在特定環境中,因強化作用而使某種應答的出現頻率增加,且更為規律。所謂強化是指為求得預期的應答而提供一種天然刺激或人為獎賞。在這個實驗中,我們欲探討「生物在不同環境中學習行為表現將有何不同」,於是觀察紅球魚、黑尾太陽魚與孔雀魚在接受餵食時的行為,並持續注意其長期所表現出的現象,最後結論是不論任何魚種條件反射之學習曲線相近,再學習情形皆明顯加快。

你嚼對了嗎?-檳榔鹼對神經再生之應用與影響

在此實驗中,我們以大鼠作為實驗對象來探討檳榔鹼對神經系統的影響。首先,我們將大鼠麻醉以利實驗進行。待大鼠昏迷之後,將其臀部及大腿的毛去除,劃開皮膚及肌肉後,將坐骨神經截斷,再以矽膠管連接兩神經斷端,隨即以顯微注射管將檳榔鹼打入矽膠管腔中。之後將傷口縫合,把大鼠置放在籠子裡等待甦醒,進行觀察。實驗後發現,檳榔鹼明顯增加了神經再生的成功率,並可促進再生神經顯微結構的成熟。此結果說明了檳榔的成份並非全然只有壞處,希望未來可以善加利用檳榔於醫藥衛生工作中,以造福神經受傷的病患。

電位丘模型模擬α質點運動的探討

在研究α質點靠近原子核時運動的軌跡,通常以丘狀曲面如下圖 模擬原子核所建立的電場位能曲面,另取一鋼球彈向此丘,代表α質點的運動情形。物理課本上曾提到“鋼球在曲面上滾過的軌跡,自然是一個三度空間的曲線,而此曲線在其底平面上的射影,及代表α質點在原子核電場中運動的軌跡”(請參考以下附錄),我們不禁要問如此射影下來的曲線軌跡真的是正確嗎?引起我們以下的討論。 附錄(節錄自參考資料(2),P276~278) : 左圖用以說明α質點當靠近原子核時所循路徑的丘狀曲面,α質點具有之位能與 r成反比,r為離原子核之距離。製造此丘面時應使面上任何點之高度與r成反比。r亦為在丘面上點離丘面中心線之距離,因此,在丘上之滾動之小鋼球所具有之 重力位能與r成反比。如此,則鋼球運動時的能量即與電荷在原子核電場內運動的α質點的能量變化情況相似,而此運動軌跡在丘底平面上的射影,即與α質點在原 子核電場中運動的軌跡相類似。 下圖中實線表示小鋼球在代表庫侖電場之位能的“丘狀曲面”上滾動之可能路徑,丘底平面上之虛直線表示小鋼球最初瞄準方向。若自丘頂正上方俯視此丘狀曲面,則所見之鋼球經過路徑及代表一α質點在原子核電場中之運動路徑,此路線即圖中平面上之虛曲線。

耀眼四射-螢光棒的發光亮度探討

市售螢光棒琳瑯滿目,其棒身主體分有內、外兩管:內管裝填強氧化劑,外管則有螢光發光物種及染料,而螢光棒的色彩多是由染料顏色所決定。利用氧化劑將螢光物種激發而放出能量,此能量以光的形式放出即是螢光棒的發光原理。為求螢光發光效益增加,添加不同金屬離子於螢光溶液中,發現A 族金屬離子、鹽類溶液中的陰離子對於螢光放射沒有直接的影響,而B 族過渡金屬離子在具有成對電子、反磁性質的條件時,能增強螢光強度;此外,純粹添加氨水亦可得到一強烈的螢光效果,此應與螢光物種結構剛硬化使強度增強有關。

固體和液體中聲速的測定與探討

在高中物理課程的實驗中,有一個是利用空氣共嗚儀測量聲音在氣體中的速度,因而引發我們對固體、液體中音速的好奇,進而研究測量的方法。

『蔗』麼『C』力-利用甘蔗渣-碳粉吸附重金屬離子

甘蔗渣中含有豐富的木質纖維素,其上的官能基可以吸附重金屬離子,我們在此研究中找到適合甘蔗渣吸附Cu2+的最佳條件。在一次實驗中,我們偶然發現甘蔗渣溶液中的有機物能吸附Cu2+,而碳粉能將有機物吸附,利用這點特性,能大幅提升Cu2+的吸附率。在經過兩道程序的吸附之後,20ppm Cu2+(aq)中Cu2+的吸附率大於99%。

植物向光性的訊息傳導

在參觀美國太空中心時,發現未來太空艙裡要利用燈光代替陽光來種植物,以做為長途太空旅行時的食物來源,而白色光線是由許多不同顏色的光線所組成,因此這個實驗的目的在於瞭解光線的顏色和方向對於植物生長向性的影響;同時也想瞭解造成向光性的生長素,在光誘導下的訊息傳導方式。實驗結果發現,綠豆苗對於藍光有最強的向光性,同時不會造成豆苗徒長。實驗結果也得知生長素由生長點製造後不僅儲存在生長點,並且也儲存於葉柄中;將藍光只造射在豆苗的下半部的莖,而非生長點部位,光線會誘導莖產生傳遞訊息,此訊息會傳遞到含有生長素的生長點和葉柄,生長點和葉柄再分泌生長素,流向照光組織的背光面,造成植物的向光性。因此在太空中的無重力狀態下,可以施予藍光照射植物的莖部,藍光不但可以讓植物有最佳的光合作用效率以正常生長,並且可以利用植物的向藍光性,以誘導植物生長到設計好的方向,以充分利用太空艙有限的空間。

炸開壁癌,攻堅水泥!

白華是生長於混凝土中孔隙的鹽類晶體,但確切影響其生成量及速率的機制仍未可知。為探討及分析不同因素影響晶析與實際上壁癌的晶體結構,我們以混凝土試片浸泡於漆料中常含的有機溶劑中,並測試市面上販售之多種防壁癌之漆料塗抹於混凝土試片上之效果。除此之外,更蒐集現實生活中所產生之壁癌,且針對上述有鹽類晶體生長之試片採集之壁癌進行顯微照相以及成分分析。結果發現,水泥比例造成的裂隙大小、有機溶劑的黏性會影響毛細作用與水泥析出,而防水漆料則能在短時間內抑制水分滲入。顯微照相顯示,在各種鹽類中,硫酸鹽的小顆粒較易析出至表面,是現實生活中的主要成分。我們期望將控制上述有利於白華生長之因素,應用於有效抑止壁癌的生長。

綠色化學-尿布變黃金的真相探索

聚丙烯酸(PAA)是尿布中吸水成份,我們發現其結構上的羧基能螯合Ag+,並成功利用甲醛將Ag+還原成奈米銀。但我們意外發現螯合Ag+的PAA白色粉末在沒有其他還原劑存在下也會漸漸變成黃色,與「利用甲醛還原製得的奈米銀」顏色十分相似。本實驗即揭開此粉末變色真相,希望能在不使用額外還原劑下,直接以PAA將螯合的Ag+製成奈米銀,不僅具環保與實用價值,更能使奈米銀製程朝向綠色化學。我們透過水溶性聚丙烯酸鈉(SPA)在均相中進行變色機制探討及影響變因的研究,找出有利的反應條件,再應用於PAA。研究證實PAA能將螯合的Ag+同步還原成奈米銀,反應機制與檸檬酸鈉作用模式相似,而提升濃度、溫度或照光有利於反應,酸性條件則不利,照各種色光也有所差異。

會發電與自循環的魚缸–底泥微生物燃料電池之探討與應用

淤泥的處理和再生能源的議題近年來大受重視,本研究首先利用校園生態池底泥自製微生物燃料電池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC),進行前置實驗,確認此裝置可產電且電壓為泥土中的菌所產生,才能進行接續的探討。在前置實驗中,我們進行新舊土、陰陽極中間的隔層材料的電壓大小比較,進而找出發電效率最高的設置條件。根據前置實驗的結果,我們改良裝置,結合魚缸和底泥微生物燃料電池,設計出一個會發電與自循環的小型生態缸,並分別針對魚種、電極種類、電極表面積、底泥種類、添加硝化菌進行電壓大小或菌數的比較,並以串連方式提高電動勢,結果發現利用底泥微生物的確可作為生態缸的發電源,且不影響魚的生存,未來將可應用在發展發電與自循環的魚缸上,也可擴大應用範圍至野外溪流與湖泊。