全國中小學科展

高中組

殘缺的完美

將二維(2k×2k-1) 殘缺棋盤的完全覆蓋性質,推廣至三維( 2k×2k×2k-1)殘缺方塊,再推廣至四維(2k×2k×2k×2k-1)殘缺數對集合及n維( 2k×2k×…×2k-1)殘缺數對集合。

寬度與週長一次愉快的結合---等寬圖形周長的探討

我們都知道圓有一個性質:假如用兩條平行線夾住它,則無論從那一個方向來夾(見圖 l ),其兩線間的距離恒為一個常數(即圓的直徑),這個性質是不是圓所獨有的性質呢?換句話說,假如一個圖形具有這種性質,它是否必然是一圓呢?在課堂裡,老師偶然提到了所謂的”諾雷三角形”(見圖 2 ) ;這個“三角形,解答了上面的問題。諾雷三角形是分別以正三角形之三頂點為圓心,邊長為半徑畫弧,由這三段圓弧所構成之圖形。因為無論從那個方向來夾這個三角形,兩平行線間的距離都相等(即邊長 d ),因此上面這個問題的答案是否定的。除此之外,上面兩個圓形,假如它們的寬度(見註)相同的話,周長必相等(簡單的計算可以求出兩者的周長均為 d,當 a = d 時)這引起了我們的興趣,我們想要知道的是:除了上述兩種圖形外,是否還有其他這種等寬(見註)的圖形?假若有,那麼在寬度相同的條件下,它們的周長是否都相等呢?這就是本文所要研究的問題。註:寬度是指二平行線,從任一方向夾住一圖形,若其距離恆為一常數,我們稱此圖形為等寬圖形,此常數為其寬度,如圖 l之圓為等寬圖形,寬度為 a ,如圖 2 之諾雷三角形為等寬圖形,寬度為 d。

克里克的奧秘—海豚回聲定位系統

臺灣東部海域常有海豚造訪,賞鯨豚已成為熱門的海上知性活動;海豚擱淺時有所聞,對海豚造成生命危險。由於 clicks 是海豚用來判斷目標遠近,辨別目標大小、形狀的聲波,因此,本篇研究報告以海豚 clicks 為研究主題,探討海豚回聲定位之水下聲學。本研究首先於海洋動物園以水下收音設備記錄海豚聲音,以波形與頻譜分析其聲音特徵。研究中亦以虛像法聲波傳遞模型探討影響海豚回聲定位之因素,發現海豚與目標物之距離、以及海水深度對海豚回聲之返回時間與波形都有顯著影響。從聲波之反射與干涉之分析,我們進一步得知不同材質的物體由於其反射係數不同,因此聲波的疊加可導致回聲強度的差異,海豚藉此可以分辨兩物體材質是否相同;當海豚偵測的目標形狀不同時,物體的頂點就是聲波的散射中心,因為它們產生的回聲疊加以後的干涉圖像不同,海豚藉此可以分辨不同形狀與大小的目標物。由此研究結果可推測海豚之回聲系統不僅為一維之訊號傳遞,更有產生二維或立體圖像之能力。

吃葡萄不吐葡萄皮?(揭開葡萄果粉之謎)

葡萄果粉指的是葡萄外一層白霧狀的粉末,根據\r 文獻的說明(梁小娥、張大鵬,2000),葡萄果粉是酵母\r 菌的聚集,葡萄上有多種酵母菌,於成熟後不同含量、\r 不同品種的酵母菌可以釀出不同風味的葡萄酒。\r 於是我們使用可以培養酵母菌的培養基\r (glucose-yeast extract-peptone broth)來進行果粉的培\r 養。在過程中,我們發現果粉的培養是比較容易的,\r 但要如何比較不同條件下,葡萄果粉生長情形,這一\r 點就是一個大難題。過程中我們想了很多方法,最後\r 找到一個方法,可以較客觀的進行不同條件下果粉生長比較。我們使用的是單位面積上的果\r 粉含量。利用阿基米德原理,測量出葡萄的體積,再使用球體體積與表面積的關係,推算出\r 葡萄表面積的近似值。(詳見實驗方法)\r 葡萄果粉經過培養之後,我們可以分離出五種微生物,分別是拋孢酵母(Sporobolomyces\r roseus)、芽枝枝孢黴 (Cladosporium chadosporiodes)、發酵型結合酵母(Zygosaccharomyces\r fermentati)、泛菌(Pantoea agglomerans)、仙人掌桿菌(Bacillus cereus),其中芽枝枝孢黴與仙人\r 掌桿菌是屬於對人體可能有害的,因此吃葡萄還是要吐葡萄皮,而且最好是要經過清洗。\r 另外,我們設計了三種條件──勃激素組(使葡萄生長得好)、正常組、鐵絲組(以鐵絲綁\r 緊枝條,使韌皮部運送養分困難),來觀察葡萄生長的好壞與果粉生長的情形有無關係。我們\r 發現勃激素組與正常組的果粉生長速度與密度相似,且以勃激素組略佳,而鐵絲組的果粉生\r 長情形則是不佳。於是我們推論葡萄生長的好壞會影響果粉生長的情形。另外,我們將葡萄\r 上的果粉大致除去,並以手指沾取,經過一星期觀察新長出來的果粉,我們發現手指的細菌\r 無法生長於葡萄上,而且新長出來的果粉仍是五種已發現的微生物。以上兩實驗給我們一個\r 結論,證明了葡萄與果粉之間有某種程度的依存關係,但深入的機制我們還無法得知。

養生的秘密~養生全豆奶的化學成分探討

本實驗是利用高中化學課本所學之知識,探討養生全豆奶(使用催芽的黃豆)和一般豆漿(使用未發芽的黃豆)之化學成分有何差異,根據我們的推測,養生全豆奶之中的養分應經過酵素的分解,組成的化學分子比普通豆漿為小,而我們剛好可以用從課本上學過的種種原理,如依數性值、蛋白質測定、澱粉及葡萄糖的測定來證實這日常生活中的食品,並驗證我們的觀點來研究養生全豆奶真的養生。我們使用以前學過的澱粉和葡萄糖的測定,發現澱粉的確有被分解成葡萄糖的趨勢,但我們猜想不只有澱粉轉變成葡萄糖而已,一定還有其他物質被分解,後來在課本上學到有關蛋白質的測定,果然也被分解成小分子了。後來又網頁上看到有關食物酸鹼性和導電度的報導,有研究說有些味覺為酸性的食物到了人體內消化後竟然變成了鹼性,而這種食物據是所謂的健康食品。我們就開始証驗養生全豆奶是否為健康食品。我們設計了實驗,用酒精燈燃燒豆子來模擬人體消化的模式(因為都是氧化分解的作用),結果不但證實了養生全豆奶不但是健康食品,且從導電度的測定實驗中,發現了養生全豆奶還可以提供了許多的礦物質,有益於身體。另外經凝固點下降測定,探討未發芽及不同發芽程度黃豆所做的豆漿,根據凝固點的依數性質,推論得知其其分子數有增多的趨勢,因此其大分子也就可能分解為小分子。我們推測小分子在人體中,可以較大分子吸收容易,對一些腸胃不好的人來說,的確較有益健康。在消化後的養生全豆奶較普通豆奶為鹼,而人體的血液必須略為鹼性,太酸或太鹼都不適當,因此有助於為持身體酸鹼度,加上更多的礦物質,對身體也較多的益處。經過如此的實驗,養生全豆奶真的名副其實。

楊氏係數之精密測定及金屬線塑性行為之探討

一般楊氏係數的測量結果常與公認值相差甚多,詳細檢討原因,覺得這個實驗有徹底改進的必要。金屬線受應力而產生應變時,其內電阻亦必跟著變化,或許我們可以利用這種“電阻應變”來測量楊氏係數。物理書上對於塑性應變的圖形都畫成下面左圖的樣子,但去年我去參觀資訊展時發現有一種自動化儀器可以將金屬線受力應變的整個過程描繪出來由,由下面右圖可以發現曲線上有突然折返的現象,到底那個圖才對呢?

海埔新生地─慈湖農場地質初探

地球是只有一個,由於人口的過度成長,可以想見生活的空間是愈來愈狹小了,我們需要更多的土地來居住,來生產糧食,世界上有許多與海爭地的例子,都極為成功,值得我們學習,今天在金門地區我們也接觸了幾個海埔新生地的開發及應用的例子,我們選了轉為農漁生產的慈湖農場,作土質方面的分析調查配合實地的參觀訪問,希望能激起大家對於新生地的愛護與研究。

搶救金錢大作戰─前埔溪畔金錢草(Drosera burmanni Vahl)的族群分布與植生適?

金錢草(Drosera burmanni Vahl)是國內瀕危稀有的食蟲植物。本項研究自92 年9 月至93年6 月,就前埔溪畔金錢草族群分布和變化、生長環境及植生的適應進行調查。金錢草生長在溼地,土壤的濕度是其生存的主要因素,在前埔溪畔E 區生長地是一荒廢農田,終年土壤潮濕,最適於金錢草成長,族群最大時達1600 餘株,極可能是目前國內金錢草族群最大的棲地。4~5月是金錢草花朵盛開的月份。金錢草對於貧瘠砂質濕地的生長環境有很強的適應力,該生長地僅有莎草科和少數植物可與它們競爭演替,人為的開闢及踐踏導致金錢草族群逐漸萎縮,及早劃定保護區或可挽救它們垂危的生機。

自動調節交通流量之信號燈

有許多次我行至十字路,發現側方車輛早已通行完畢,但是個方綠燈仍舊亮著,我方車輛卻大擺長龍,無法利用此空檔時間。我想,如能依兩方車輛多寡適度調節兩方紅綠燈時間,使交通燈之控制更臻完善。

我把板塊拼起來了-板塊運動模擬

南美洲及非洲兩大陸塊的形狀非常契合,是因為中洋脊的擴張使它們分開。本研究以奧伊勒理論為基礎,利用大西洋中洋脊附近的許多轉型斷層及破裂帶,並以空間向量及解空間方程式的方法,來求奧伊勒極的位置,以進行南美洲和非洲之間板塊運動模擬。先算出分別中垂於兩個不同轉型斷層的兩個平面方程式,再找出兩平面與地球球面的交點,即奧伊勒極的位置。奧伊勒極可以用來描述板塊相對運動,相對運動量則由中洋脊兩側的條帶磁力異常線換算求得。最後將所求得的奧伊勒極和現有的板塊資料與海岸線資料,輸入電腦進行板塊運動的模擬,並進一步算出兩板塊間的相對運動速率。本研究所算出的奧伊勒極位於63.8° N、32.9° W;以奧伊勒極為基礎,算出兩億年來非洲和南美洲兩板塊間相對運動的平均角速率約為0.305 度/百萬年;最後模擬出兩億年來南美洲相對於非洲的古位置。在一億九千五百萬年前的古位置圖中可發現,當兩陸塊北端密合時,南端有陸塊重疊的現象,可見南端實際相對運動的量比預估的還少,推測是因為板塊經過長時間的運動,受到擠壓而變形,而這些變形吸收了部分的相對運動量,而非洲西南外海的確有一Wafisch Ridge 存在。