全國中小學科展

高中組

環形軌道的能量

當我們上物理課時,討論到伽利略的慣性定律,有 段「小球在斜面上運動時,無論斜面斜度如何,小 球均有上升到原來高度的趨勢」,經由實驗小球始 終無法達到原有高度,而且其高度又因斜面而不同 ,因此激發起我們研究此問題的興趣,究竟這個原 因是摩擦?或是其他因素?這樣消耗能量又多大? 這個問題對日常生活又有什麼影響?為了尋求這些 有趣的答案,我們在老師指導下設計三個環形軌道 ,並推出一些公式來解抉。

發現分工新角色

每當在野外進行觀察時,總會看到許多體型微小、體色黝黑,行動敏捷的針蟻\r (Ponerinae),即華夏粗針蟻(Pachycondyla chinensisEmery, 1895)。經由行為譜(ethogram)\r 的分析得知,華夏粗針蟻之有后聚落(queenright)職蟻間分工嚴謹,且具有成體搬運行\r 為(adult transport),於其覓食過程中,產生一特殊階級─運兵者(porter),專司進行成\r 體搬運,行為高度專一化並發展出特殊之儀式化行為(ritualized behavior)。於食物短缺\r 的情況下,運兵者(porter)佔外勤職蟻比例明顯提高,且被搬運者(portee)成為運兵\r 者(porter)的比例亦明顯提升。將運兵者(porter)於覓食過程中移除,覓食之職蟻數\r 量亦大幅降低。食物與蟻巢距離超過25公分,運兵者(porter)產生之機率亦隨之下降。\r 經過公式的推導,證實其成體搬運行為(adult transport)可縮短覓食中行走之距離,減\r 少總能量的散失與消耗,以利其達成最佳化覓食。

人工重力場對生物的影響

生物有許多特殊的行為及傾向,被解釋為與重力相關,然而卻缺乏實際的證明,為了澄清此種疑問,到底是重力的影響呢?或是其他因素的影響所致,而不幸被歸入重力影響一環呢?所以用人工的加速坐標系來模擬地球重力互相比較以求問題的答案。

製作奈米的肥皂泡膜

我們希望能製作長時間不會破掉的肥皂泡泡,使得垂直懸掛的肥皂薄膜能一直流動到很薄的狀態 --- 希望能薄到幾十個奈米。然後從肥皂薄膜的光學干涉條紋變化,測量其厚度,並且研究肥皂薄膜流動的現象。研究結果顯示:我們可以作出能持續流動60秒以上不會破掉的肥皂薄膜,其中可以準確量測的最薄處大約117奈米,由外插法得出其頂端的厚度小於50奈米,用測量電阻的方法得出該處厚度大約為15奈米。而且我們還發現在薄膜厚度大於350 nm時,薄膜的電阻和厚度成很像反比的線性關係,但是在薄膜厚度小於200 nm時,薄膜的電阻和厚度的平方成反比。我們也由各層干涉條紋的流動,了解了肥皂薄膜流動的過程,並且觀察到可能是液晶層狀流動的現象。

對流胞狀雲的實驗模擬

當冷氣團從大陸移動到海面時,常會形成一些特殊的雲,常見的有雲街與胞狀雲。胞狀雲因其成雲機制與分布差異又可分為開放與封閉的形式。本實驗藉味噌湯不同加熱條件下所產生的圖形模擬大氣中胞狀雲的對流,並探討不同溫度與厚度下,味噌湯的加熱對流圖形差異與大小變化。 實驗發現味噌湯在低溫加熱時,其形成的圖形較類似開放胞,我們認為是溫度較低時,流體下沉的力量較向上對流的力量強,與形成開放胞的條件相同;高溫時,其圖形較類似封閉胞,我們認為是溫度較高時,流體向下對流的力量較向上的力量弱,符合形成封閉胞的條件。且流體厚度增厚時,所形成的對流胞大小也會增大。另外,流體在旋轉狀況下所形成的對流圖形更接近大氣胞狀雲的圖形。

無奇不有的拋物線-頂點移動軌跡的探討

國中有學過二次函數y=ax2+bx+c的圖形為拋物線,可以知道拋物線頂點是一個重要的圖型特徵,但沒有討論當a,b,c值變動時,對頂點會造成什麼影響。在本研究中,我發現當a,b,c值變動或者當a,b,c其中二個數值具有二次或一次的函數關係時,拋物線的頂點軌跡圖形會是圓錐曲線。特別是當a=Pb2+Qb+R時,拋物線的頂點軌跡會出現直線、拋物線、雙曲線及橢圓等情形。接著利用頂點座標求出各種情形的一般式並得到頂點移動軌跡圖形與其一般式的充要條件,進一步針對a=Pb2+Qb+R的特殊情況進行深入的探討,利用圓錐曲線類型的判別式找出P,Q,R的值與圖形的對應結果(如下圖)。

菊池氏細鯽的行為觀察

目前台灣一百多種淡水魚類中,台灣特有種僅有二十幾種,且分布非常不均,東部只有兩種。一種是存活在台東山區溪流中的爬岩鰍,另一種便是我們研究的對象菊池氏細鯽(Aphyocypris kikuchii)。根據文獻菊池氏細鯽的數量曾經相當多,但是限在台北的溪流中已經絕跡了,只有在宜蘭及東部的溪流中才找得到。\r 淡水魚類在台灣的生態系中,占極重要的一環。在鄰近的日本,早已對其境內的淡水魚類做了整體而有系統的調查,而台灣至今尚未有完整的淡水魚類資料。所以我們以菊池氏細鯽做為研究之對象,希望能收到拋磚引玉的功效,引起社會大眾的注意和關切,開始著手調查,並實施保育工作,不要等到它們已經絕跡時,再去後悔惋惜。

模擬龍捲風

台灣地區平均在一年中會產生一、兩個龍捲風,雖然其次數不多,然而龍捲風是短時間所生破壞程度最大的風暴系統。本實驗藉由模擬龍捲風的行程,探討其生成的因素。本實驗以『上方風扇』:模擬真實龍捲風的低壓中心,控制電壓的大小以影響氣流上升速率的快慢、『下方風扇』:模擬風切,控制電壓的大小與仰角以影響氣流的水平向、鉛直向大小、『口徑』:利用上方口徑大小以控制氣流鉛直方向上升速率與形成之暴風半徑大小、『高度』:利用高度的高低以控制氣流鉛直方向上升速率。結論:(1)上升範圍(口徑)越小,暴風半徑越小(2)上升氣流(上方風扇)越快,暴風半徑越小(3)風切(下方風扇)風速越大,暴風半徑越小(4)對流高度越低,暴風半徑越小

利用容度積、酸度計、EDTA溶液,測定虎尾等地區自來水質之含氯量及硬度

隨風飄揚的螺旋槳~桃花心木種子

在高中課本生命科學(上)第四章「植物的生殖、生長和發育」中,我們探討到「果實和種子的適應」,也就是種子在不同環境中,透過外型演變,以改善繁殖效率的傳播方式。上課時,老師帶來一個種子,將它自高處施放,種子竟旋轉落下,引起全班的熱烈討論。此種子長的很像課本中的松樹種子(南一版,生命科學上,115 頁,圖4-13 藉風力散播的果實或種子B.松樹有翅的種子)。詢問之下,我們得知此種子就是常見於家具DM 的桃花心木之種子,基於旺盛的好奇心,作者決定以桃花心木種子如何旋轉、為何旋轉作為本次研究主題。