全國中小學科展

高中組

碰!水流不只是流動-水流噴射實驗

倒水時,常可看到水不平穩的流出,並出現了類似旋轉的現象,同時有一些看似「聚縮」的點。我們想知道這種現象的成因。首先,我們驗證水是否在轉動,而發現旋轉現象並不存在。接著,我們發現聚縮點出現之鉛直高度在同截面下固定,故此現象很可能具週期性。我們拍攝下水珠的振盪而證實水具有因表面張力造成的自然振盪週期。我們接著研究影響振盪產生的因素:恢復力以及慣性。我們改變慣性來觀察在不同面質量下,振盪產生的時間和質量的關係,發現振盪產生的時間和開口面積的平方根成正比。為了驗證此現象和恢復力有關,我們使用1:1水和甘油混合液重覆前一個實驗,發現聚縮的時間有所改變。我們證實這個現象是一個由表面張力造成的收縮振盪。

田忌賽馬問題的研究與推廣

本篇作品主要研究在兩個人或多個人在n場對戰中(例如賽馬),其中一個人的實力處於劣勢,而處於劣勢的那個人,得到勝利的策略方法數有多少種。 如「田忌賽馬」原文中,田忌和齊王各有三匹馬,我們的目的在於找出一個演算的方法,可以求出當田忌和齊王各有n 匹馬時,田忌的致勝策略數。為了解決問題,我們利用排容原理先處理「超算方法數」及「修正係數」兩部分,最後才得到獲勝策略總數。又主要問題點在「超算方法數」,我們發現關於超算方法數的一種遞迴關係,並由此得到一般式的結論,且透過了數學歸納法證明之。除了解決原先問題外,我們更推廣此問題至其他條件或規則,例如雙方條件一樣、差 等級、限定條件或多方對戰等,並得到一些結果。

三點式內錐度分厘卡

『 內錐度』是機械工程上常用的機件結構,其錐角的表示法乃用其角度的「正切值」表之,亦即Dl -DZ / L 表示之。鑑於機械製造中,對於內錐度的製作,計算與測量極感困難,而今日各式的內錐度測量方法,或須繁雜的三角函數計算,或須運用操作技巧,怠工費時而不實用,玆列現有之測量儀器分析如下: 精測規塊( Gago block ) :極精密,然而須繁雜運算且不適合在機械製作現場使用。指示量表(Dlal test indicatprs):精確,然而只能測量大型內錐度,對於小型的內錐度即束手無策。槓桿量表(Dial test indicatprs):精確,但其測量範圍僅0.5m/m且必須確實校正工作物中心。錐度樣規( Gage ) :只能測知配合情況,不能指示誤差量,使用完全憑經驗與感覺。分厘卡與游標卡尺 (Micrometer & Vernier ) : 由於操作時人為誤差(測定點偏差)與機械誤差(錐角偏差)極大,故幾乎無法使用。因現有測量儀器之缺點很多,故著手研究簡便的測量儀器,便利機械產品之製造與檢驗。

「糟」材「金」寶-金門高粱酒糟堆肥化之研究

高粱酒糟為金門高粱酒生產過程中產生的副產物,其年產量約為86,400噸,以工業有機廢棄物委外處理,僅少部份提供金門農家作為餵食牲畜的飼料原料及堆肥參配料使用。但是,透過田間訪查後發現,農家將酒糟堆肥的過程並沒有標準化,而且對於其效力也不清楚。 為了釐清高粱酒糟作為肥料之原理及其效力,本研究實驗發現:(一) 原酸性酒糟在堆肥化的過程中會發生溫度和酸鹼度的變化,利於微生物對酒糟進行分解作用。另外,堆肥中加入鹼性資材蚵殼粉可快速提高核心溫度並增加高溫期的維持時間,促進堆肥化作用。(二) 酒糟堆肥化的過程中,碳氮比逐漸下降,降低至理想的碳氮比,顯示堆肥化效果良好,有機質明顯被分解,利於植物的生長,提供酒糟能為有效肥料的依據之一。(三) 將腐熟堆肥實際施用於農田,結果顯示加入枯草桿菌的組別小白菜生長情形明顯優於其他各組,推論枯草桿菌可協助酒糟分解,利於小白菜生長。 堆肥化是廢棄物資源化處理的理想方案之一,本研究證明酒糟堆肥化確實可行,且其成本較使用化學肥料更低廉,未來若能將酒糟堆肥加以施用推廣,不僅能減少廢棄物-酒糟對環境的汙染,更能將其製成優良肥料外銷,為金門帶來可觀的經濟價值,讓酒糟堆肥再利用能夠兼顧農業應用以及環境保護,幫助金門的生態環境永續發展!

水中舞者

本實驗將小型塑膠圓片置於水中以不同角度釋放,模擬落下樹葉在空氣中的左右擺動情形,藉由分析影片得到小型塑膠片的位置、速度、角度、角加速度等物理量,觀察後提出了「分流點」的假設,並結合白努力方程解釋塑膠片的規律性運動。

天羅地網-雷射光線之反射路徑與正n邊形完全圖之關係探討

在正n邊形的n個頂點各放一面鏡子,並將其中一個鏡面順時針轉動90°/n,將雷射光線沿該點切線方向射向此鏡面,使光線在正n邊形各頂點的鏡面間反射,本文主要在探討光線在各鏡面間反射路徑之規律性與其應用,研究分為兩大部分:一、將雷射光線射向一順時針調整角度θ=90°/n的鏡面且其餘鏡面皆不轉動之情形下,探討雷射光線的反射路徑之規律性及尋找正多邊形邊數與反射數間的關聯性。二、在正n邊形的n個鏡面中,每個鏡面可依順時針或逆時針旋轉一個角度θ=90°/n或是不轉動。此部分我們只針對n為偶數的情況去探討,我們採用數學上函數的對應方式取代了物理上反射原理的路徑操作,由數學的模式去探討鏡面調整的規則,擬訂出適當的策略調整鏡面的轉動,並找出最大反射數。

甜蜜來「靛」--靛胭脂的氧化還原反應

甜蜜來『靛』實驗俗稱振盪紅綠燈,是以氧氣作為氧化劑、葡萄糖為還原劑,使靛胭脂溶液在鹼性環境中因為氧化及還原產生不同顏色變化的可逆反應。我們發現葡萄糖濃度及溶液pH值會直接影響反應速率,其速率定律式為:R還原 = k[IC]0[C6H12O6]1 [OH-]1;若是振盪反應停止,可添加新鮮靛胭脂使其再生。此外,不同種類的還原劑會使此反應產生不同顏色,如還原力強的乙醛、丙醛會使溶液呈現橙色而不再變化。利用此振盪反應作為示範實驗的最佳化條件為:1.2%C6H12O6(aq)、0.5M NaOH (aq)的溶液50 mL,加入2.0 mL、1.0%靛胭脂溶液,第1次振盪時間約12~15分鐘,第2次循環開始其速率會增快,時間約縮短至5~8分鐘。

非高斯型擴散

將水加入溶液上方,將造成溶質向上擴散,這期間造成濃度和濃度梯度的變化。我們使用簡易的實驗儀器,利用高中物理所學的折射定律,將實驗結果推算出不同時間各位置的濃度和梯度變化。一般書上所寫,大多假設濃度梯度成鐘型曲線分佈的簡單模型來描述擴散過程,但只能用在擴散係數為定值的情況,從實驗或參考資料顯示,擴散係數會隨濃度而變,書上的模型雖簡單,只適在極稀濃度溶液。溶液的濃度大小直接影響到溶質的擴散行為,因此擴散現象經常呈現非高斯之分佈,我們捨棄簡單的理論假設,以我們自己設計的實驗來分析溶液在較高濃度時的「非高斯型擴散」,直接測量並計算不同濃度下的擴散速率、擴散係數。並比較分子水溶液、強電解質、弱電解質的差異,並討論簡單模型可能的缺失。研究分子擴散行為的理論未完全建立,所以擴散目前屬於半實驗的科學,此實驗設計與分析方式可提供作為擴散理論發展的參考。

這樣分就對了

本篇研究主題為 ”若有x個數分別為A2、(A+D)2、(A+2D)2…、[A+(x-1)D]2,x∈□,A,D∈□ ,今將這些數分為 y 組,y∈□,使每組皆有x/y個數,且每組數之和都相等,試問應該如何分組? ” 的問題,我們以ㄧ個有系統的方式推導出一種分組的方法。除此之外,我們還將此問題推廣至” 若有x個數分別為AP、(A+D)P、(A+2D)P…、[A+(x-1)D]P,x, P∈□,A,D∈□ ,今將這些數分為 y 組,y∈□,使每組皆有x/y個數,且每組數之和都相等,試問應該如何分組? ”的問題,很幸運地,我們也成功的歸納出一套有系統的分組方法來解決這類問題。

汙所遁形──水生植物如何淨化汙水

由於現代化學、金屬工業蓬勃發展,工廠及家庭所排放的廢水正嚴重汙染水質環境。為了減低人類對環境造成的傷害,現今多以培養人工濕地、藉水生植物來達到淨化水質的目的。為深入了解水生植物是否能確實淨化水中的重金屬物質,我們選用了兩種不同品種的浮水布袋蓮、沉水的水蘊草、挺水的空心菜等四種植物,種植在含有銅離子或鉛離子等不同汙染物質的水中做為模擬;並觀察其吸收金屬離子的情形、與葉綠素含量及含糖量的改變。希望能深入了解水生植物在受汙染的環境中生長的情形,以及其為環境所帶來的改變。