全國中小學科展

高中組

以自製的反應儀器研究鹽類對雙氧水分解反應的影響

本研究是以自製的反應儀器全程監控雙氧水加入不同的三價鐵鹽中,伴隨著氧化還原及催化分解產生氧氣的全部過程,其設計流程如下: 反應器→排水集器法→虎克定律→滑尺感測→A/D電路→電腦將雙氧水分解出的氧氣,利用集水桶收集,集水桶的重量向下拉動滑尺,使其感應部分通過光遮斷器,藉由A/D 電路,電腦收集電壓與時間的數據,再配合校準線的資料繪出反應速率與時間的關係圖。研究結果顯示三價鐵鹽中,Fe(NO3)3 和FeCl3 的反應情況較類似,氧氣的產生很快達最高速率,其最大反應速率值約在0.4ml/s-0.6ml/s 上下,但反應也很快完成。Fe2(SO4)3 的反應情況較溫和平緩,慢慢提升其反應速率,且其最大反應速率也較小,約在0.1ml/s-0.2ml/s 上下。藉此研究結果,若要利用雙氧水的氧化力應用於工業的污水處理上,Fe(NO3)3 和FeCl3 較適於速效性(如旺季,訂單大量,產生廢水量較大之行業); Fe2(SO4)3 較適於長效性(如淡季時,不景氣,產生廢水量較少較緩之行業)。若鐵生成穩定錯離子後,其反應速率皆較慢,實驗結果其最大反應速率值約在 0.01ml/s-0.02ml/s 上下,速率比非錯鹽的鐵鹽慢了十倍多。其中Fe(CN)63-,圖形與FeCl3類似,其餘其反應速率較近於定值,可將此結果應用於日常生活中需較固定氧氣產生,而其速率不必很大處(如水族箱之氧氣供應,燃料電池之氧氣供應)。

被困住的水波?

高中物理教材中以水波作波動之折射現象的演示,使我們不禁好奇,水波是否與光波一樣有全反射的現象呢?因此決定對此做一番研究,並希望能做出水波的全反射現象。為確保研究結果的準確性,我們從理論著手,先了解水波表面波波速公式的推導過程,得知其中的假設條件,並依據這些條件及多次的預備實驗改進高中水波實驗的器材,以確保實驗結果在公式可解釋的範圍內。接著進行驗證水波公式的實驗,確認實驗設計正確與否。在全反射實驗之前,先進行折射實驗,再次確認實驗條件控制無誤。最後確實做出了全反射的現象,但波紋並非如預期中在介面完全反射,而是有部分非折射波穿透至深水區。再次查詢更深入的資料後,得知光的全反射其實並非在介面完全反射,而是穿透一定距離後才逐漸反射。由此推及水波的全反射,我們看到的穿透波應為全反射的正常現象。因水波波長遠大於光的波長,而可以觀察到此現象。整個過程中,我們也有兩點意外的發現。第一是在公式探討中發現普遍參考資料上公式的錯誤使用;第二則是使用光感應器可測量水波實驗中難掌握的頻率及波速數據。我們從這個過程中學到很多,也深感本身知識的不足,希望能繼續學習,並對水波做更深入的研究。

金屬的氧化還原

比較金屬活性大小有關的實驗無法清晰明確,〔 尤其是銀白色的金屬光澤(Sn、Zn、Pb、Ag)的相互反應﹞,實驗不生動且變的索然失味,因此進行改進研究。

被吸住了?? ─電磁煞車機制探討

給予金屬圓盤初速度,記錄其在空轉下之煞車過程,可得空轉角加速度,此角加速度為慣性與摩擦力共同作用產生,於本實驗中為極小定值;再進行實驗通上磁場,使金屬圓盤產生渦電流,並配合磁場方向,依安培右手開掌定則,可得和運動方向相反之阻力,產生煞車角加速度,進而使金屬圓盤停止轉動;扣除空轉下即存有之角加速度,即為渦電流效應下產生之煞車作用。由公式推導加以實驗數據的映證,可得下列結論:一、煞車力矩正比於轉速二、煞車常數Kt 與金屬圓盤材質和結構有關三、煞車力矩與電磁鐵輸入電流平方成正比四、高導磁率金屬之煞車力矩與氣隙厚度平方乘積為一定值並根據討論和結論部分,加以探究電磁煞車未來應用與發展。

太陽 Limb Darkening 效應之探討

台灣地區對於太陽之觀測行之以四十餘年,但在高中天文社團圈內多限於太陽黑了的描繪,用以研究黑子自行、較差自轉( Differention Rolation ) 以及磁力線之研究,未見對於其大氣性質較深入的討論。 曾經看到許多太陽影像中,都是中心較亮,而邊緣較暗,比較之後發現每一張影像都是如此,在聽老師敘述臨邊昏暗的效應(limb darkening) 之後,產生了濃厚的興趣,而決定著手去找尋原因,發現一般的書籍中並沒有這方面的資料,於是激起了研究臨邊昏暗效應起因的動機。

肌纖維收縮模型之研究

於高一基礎生物第三章生命的維持,內容談到骨骼肌的構造,骨骼肌是一種橫紋肌,有明帶和暗帶的橫紋,而有兩z線間,有兩種與z線垂直的肌絲,其中細肌絲為肌動蛋白,粗肌絲為肌凝蛋白,肌肉收縮時,乃z線與z線相互靠近,肌纖維乃到整塊肌肉隨之縮短,此即為肌肉收縮。 我們很想了解更詳細的內容,因此請老師講解,並提供資料,經過仔細推敲之後,仍然不能夠有完整清晰的概念,問題關鍵在課本圖形為平面,若能夠有立體簡易的模型,則可能有助於我們對問題的認識,因此我們開始收集並閱讀有關的資料和書籍如大學生物學、普通動物學、組織學等。待肌纖維模型雛形已成後,我們並同時配合電腦來處理動態及靜態肌纖維收縮型態。

千里之外探討外傘頂洲與高美濕地的變遷

季風造成的沿岸流帶動漂沙的移動和興建海港或海堤而導致的突堤效應皆對海岸地形造成重大的改變,而長期經由遠距離拍攝的衛星影像,我們可以觀測同一地點長時間的變化,本研究即是利用遙感探測技術探討自1996年至2005年間外傘頂洲與高美濕地的海岸變遷。研究結果顯示,外傘頂洲淤沙面積自1996年至1999年間減少,而高美溼地則增加;至於1999年至2003年間,兩地皆無明顯變化;而2003年至2005年間高美濕地的面積有些微地減少。另外,在1999年的九二一地震後,我們發現外傘頂洲西側中段的面積有增加的現象且外傘頂洲移動速率也大幅增快。由此可知陸地上的變化對海岸泥沙的堆積情形會造成重大的影響。

實驗探討影響水中倒影的變因

物體在水中的倒影是光經水面反射後所形成的虛像,水面平靜無波時,倒影的長度等於物長,水面有微波時,水中倒影的長度會隨著水波的振幅改變。實驗觀察和數學推導倒影的位置,知:物長愈大倒影長度愈大,觀察者所在位置愈高,倒影長度愈短;人和物的距離愈遠,倒影長度愈大,波動振幅愈大,倒影長度愈大;物體底部的倒影明亮清晰,頂部暗淡稀疏。水波的振幅大小會影響倒影的數目以及倒影的亮度。用簡單的三角函數,可以算出不同的振幅下倒影的數目。

進入碰撞的世界-從碰撞時間做起

實驗課本中的動量守恒實驗,一度空間是使用滑車碰撞,二度空間是用一球從軌道上滑下來撞擊放在軌道前支架上的球。前者有相當大的摩擦力作用,後者則很難使兩球碰撞時不受支架的影響”於是我們就探討能否設計新實驗予以改進。並且課本也無三度空間碰撞的實驗,所以我們又想到:「我們的實驗能否不僅只改進一度和二度空問的碰撞,而且也能包容三度空間碰撞實驗?」我們相信設計出一個實驗,能將幾個在課本裹被割開的實驗,重新結合為一體,是倘得我們努力的方向,便開始了研究過程。但由於二球在碰撞期間,仍受「重力」這一外力作用,使我們又設計實驗測量碰撞時間,來估計重力的影響程度。並發現碰撞時間受甚多因素影響,便決定控制變因,研究它和速度及質量的關係。並且由於碰撞時間甚短,而兩球落地時間也不易精確量得,我們也需要一線路來控制電磁鐵的電源,因此便想到利用數位系統這一新方法來控制整個實驗。就在這一步又一步的改進當中,我們成功地做出了整個實驗。

弦...話家常

此研究為探討圓錐曲線與弦的關係,主要分為兩大主題,一為探討在平面上一點與圓錐曲線所成之任一弦,其中點軌跡及按任一固定比例下所成之軌跡圖形與方程式;另一主題為研究圓錐曲線所有平行弦之中點軌跡及按任一固定比例下所成之軌跡圖形與方程式。經過研究有些軌跡方程式非常複雜,我們透過 GSP 與 Cabri Geometry II Plus等兩套幾何繪圖軟體協助觀察。最後得知主題一以弦中點繪出的圖形具有不變性,而按固定比例下所成的圖形看似蚶線(點在圓內), 經過研究發現是不一樣的曲線(類蚶線), 其他這類圖形似乎和擺線有一定的關係;主題二以弦中點所得的圖形為圓錐曲線之軸,而按固定比例下構成的圖形一樣具有不變性。