全國中小學科展

高中組

利用福爾摩沙衛星三號觀測北半球平流層急劇增溫現象

近年來,造成中低緯區溫度下降的北極震盪逐漸受到科學家的重視。一般我們說的「北極震盪」,指的是北半球高緯區的氣壓變動關係:極地渦漩減弱,造成原本聚集在極圈的冷空氣向中低緯區擴散,而使中、低緯度氣溫驟降;但就溫度層面而言,學術上認為這和平流層急劇增溫有關。 本研究分析福衛三號自西元2006年始的北半球大氣溫度資料發現:震盪現象最明顯出現在冬末春初;高度方面,低空較不易觀察震盪現象,而30公里以上的高空受影響的程度略為類似;緯度方面,北緯40度以南的地區受SSW影響而降溫,其幅度較小,而北緯40度以北升溫,且幅度隨緯度增加而漸大。 另外將西元2006~2010四年資料比較後,發現西元2009年為近四年來最高峰,且SSW有類似北極震盪部份週期的變化,故福衛三號氣溫數據資料在未來極有可能成為新興的氣候變化觀測依據。

不詳之「罩」-口罩對都會區主要空氣汙染物攔截效率之研究

台灣汽機車密度居世界之冠。汽機車排放之直接與間接形成懸浮微粒與臭氧,為都會區空氣主要污染物,並危害民眾健康,相關議題亦是全球關注的焦點。在法令規範未達一定成效時,戴口罩為保護呼吸道簡易的方式。口罩款式甚多,民眾認知甚少。本研究利用手持式粒子計數器、掃描式氣動粒徑分析儀與分光光度計等儀器,量測各式口罩對懸浮微粒與臭氧的攔截效率。結果得知機車廢氣之懸浮微粒主要粒徑落於「最易穿透粒徑」範圍,粒子不易攔截又易深入肺泡造成傷害。研究發現熔噴不織布層為口罩高攔截效率之關鍵因素,清洗後,短期效率無明顯下降,但因結構破壞仍需更換,藉此我們組合出高效率且可替換內層的布口罩。本研究結果可做為民眾選擇口罩之依據。

探究棒球棒的甜蜜點

根據台北市體育學院運動器材科技研究所劉強教授指出甜蜜點(範圍)包含三個定義的區域:(圖A 改繪自聯合報)【1】一、碰撞中心:擊球時握把無撞擊感的位置。(物理學理上甜蜜點的定義點又稱『振盪中心』【2】(the center of oscillation)) 二、強力中心:擊球後產生最高速球的位置。(恢復係數最大) 三、節點:擊球後握把無振動感的位置。我們利用PASCO音頻接收器,測量到標準的比賽用球棒,受撞擊時會產生三個較明顯的振盪頻率(如圖A-右)。好的手工球棒會將這三個震波頻率的節點,安排在甜蜜區附近,使打擊者敲中該處時,球棒振動最小,握棒處受力最小,球與棒間的恢復係數最大,擊出的棒球可以飛得最遠。這個點(區域)就稱之為甜蜜點(The sweet spot)。

磁場對植物生長之影響

久居鄉村的我無時無刻不與農作物接觸,又親體農家盼望豐收的心情。因此時常想提高作物產量。由於一個偶然的機會,看到了一些小學生有關磁鐵能促進植物生長的記載,又有此次良好的機會,於是作了下列的實驗。

紅!藍!用光譜分析探討平衡系與勒沙特列原理暨其能量變化測定實驗之設計

我們知道用氯化亞鈷試紙可以檢驗水的存在,高中化學課本告訴我們氯化亞鈷之稀水溶液為淡粉紅色,去水後即變為深藍色。氯化亞鈷此種性質可用於製造隱形墨水(invisible ink),另一用途為製造天氣預報計。由課本知道了這些氯化亞鈷性質卻不知道其中的原因,在高中化學新教材平衡常數和勒沙特列原理實驗中討論到CrO42-與Cr2O72-顏色變化,所以我們想到氯化亞鈷顏色變化是否也符合勒沙特列原理呢?鈷是過度元素,能夠形成特殊化合物是否與錯離子有關呢?氯化亞鈷水溶液顏色變化是否涉及能量變化?為了徹底了解這些問題以揭開氯化亞鈷顏色變化謎底,所以自行設計此實驗來研究氯化亞鈷水溶液紅藍變化有趣的化學反應。

三體運動模型與拉格朗日點上的小行星

在練習作電腦動畫的過程中,做出以電腦模擬自由落體及雙星運動,但以上都屬可簡單分析出結果的運動,因此想到以電腦模型預知無法簡單分析的問題。在牛頓雜誌第 1 69 期,有一篇文章曾提到拉格朗日點:假設宇宙中有三個星體,星體 A (太陽)質量甚大於星體 B (本星),而 B 質量遠大於星體 C 。當 C 位於五個稱為拉格朗日點的位置上時(如圖),會與 B 的角速度一致,環繞 A 公轉。圖中L1L2L3三點處於極不安定的平衡位置,而位在L4L5的小行星群即使因撞擊而略為離開拉格朗日點,由於 A , B 引力的微妙作用,仍會回到穩定的點上。我們就是對這情形感到興趣。 \r

南崁溪河口沉積物垂直粒度分析

桃園南崁溪河口位於竹圍漁港旁,河口附近兩支流匯流,河道變寬。每逢大雨沖刷河岸堆積沉積物。本研究採樣位置位於南崁溪河口附近,於河流左岸沖刷沙灘上,使用沉積物垂直分層取樣方法進行分析。第一次取樣2008 年10 月採ㄧ管,第二次取樣2009 年1 月採7 管,分析沉積物粒度隨深度變化情況,藉此了解南崁溪河水營力變化。經由兩次採樣粒度分析發現表層21 公分沉積物可能為東北季風之沉積物。第二次採樣7管沉積物分析,經對比63 到93 公分不等深度沉積物,發現四層特殊沉積層。依據各管沉積物層面深度繪製成層面立體圖發現層面向河面傾斜,且有類似河道旁沖刷崩落地形,有向河道中央移動之情況,代表河川沉積物逐漸增加。

轉吧!測出繞射的精確

本研究成功解析以綠光雷射經過單狹縫產生的繞射光強度分布,有別於一般高中使用之單狹縫繞射實驗教具組,僅能測出光屏上亮暗紋的間距,且可分析之明暗帶數目甚少,進一步思考,這些量測結果皆不為球面波光分佈情形,所以勢必產生誤差。本自製機構加入巧思,建立旋轉平面分析繞射光強度,得到球面波的解,並透過對數放大器電路進行數據處理,可提升觀察解析度至第40亮帶。同時使用的材料皆成本低廉。應用上,可量測未知狹縫之寬度。另有鑑於市售之儀器價格昂貴,若此機構可以透過推廣量產,將提升高中課程對於單狹縫繞射進階的認識。

消失的彩虹頻道──解碼42° 之謎

一、研究動機與目的:彩虹是因為陽光通過水滴後產生色散的結果。但書上都說,彩虹的紅光與太陽光的張角是42°,而紫光的張角40°,為什麼偏偏是這樣的角度呢?一定是這樣嗎?基於這樣的疑問下,於是我著手開始研究彩虹。二、研究過程:1.以塑膠圓筒裝水模擬水珠,觀察它對入射光的偏折程度。2.由折射定律、反射定律推導水珠中光的路徑及射出光的偏向角。3.測量光線經界面反射時的反射率、透射率。4.推導光線由不同路徑進入水珠,射出光線的照度變化。5.綜合幾何因素、反射率因素,以Excel 軟體統計「照度相對於光的反射張角」的關係函數。三、研究結果與結論:1.均勻照射在水珠上的平行光線,不會以單一方向反射。2.由於水珠的球形的幾何因素,照射在水珠邊緣部份的光線會有會聚作用,反射後集中在特定角度,如二折射一反射回來時,聚集在42.5°,也是最大的張角。如二折射二反射回來時,聚集在50°,也是最小的張角。3.光線以不同的角度射入水面、射出水面時,反射率與透射率都不同;以此經驗式計算射入水珠中的光線反射在各種角度光的照度,經二次折射一次反射的最大照度集中在張角42.5°處,經二次折射二次反射的最大照度集中在張角50°處。4.由以上兩個因素可知,兩個方位的反射光比起其他方位,光線照度大得很多,因此只在這兩個方位可以看到彩虹了。5.張角42°~50°間,除了水珠表面直接反射外,似乎水珠並未返回任何的光線,因此判斷這個方位應該是個亮度很小的『黑』區。

垂涎”欲”滴-看黏滯性與表面張力

由觀察“垂涎欲滴”的日常現象,探討垂涎液柱長和溫度、濃度、放流管長的關係。利用簡易點滴瓶及點滴軟管的巧妙組合,進行小流量及小管流的各項實驗檢測。探討液柱長度隨溶液種類、溶液溫度、放流管長、流量等變因具規律變化。從流量與液柱長之規律變化出發,進而探討液體黏滯性與表面張力的關係。視管內水流及管外流為穩定流體,以連續方程式及白努力定律計算黏滯性與表面張力。