高中組

本研究效法自然法則光合作用「光反應系統二」註1內，葉綠素受光照激發出電子的機制，應用在電池發電，有低成本、環保且製程簡易的優點。本作品中分為以下幾項研究:一、不同電解液對電池發電影響，以KI-I2(aq)電解液其提升效果較佳。二、不同色光對電池發電影響，紅光下發電效果較佳。三、將葉綠素電池與DSSC(Dye-Sensitized Solar Cell)染料敏化電池做比較，發現葉綠素受光可自行激發電子產生電能，而其他光敏劑則必須要TiO2 薄膜的支持才可有效利用。四、添加奈米金以吸附葉綠素提升吸光表面積，並加強葉綠素激發電子的效力。實驗發現奈米金有助於提升葉綠素電池發電效果。

1820 年，丹麥物理學家奧斯特（ Orested ）首先發現載有電流導線附近之磁針，會偏離南北的方向。同年，法國物理學家必歐和沙伐，兩人建立了帶電流的極小段導體附近所產生磁場的數學公式──必歐──沙伐定律，其內容如下： 其向量形式則為 (上面二式表示：設任一彎曲導線上電流為i，取線基素，其方向為沿導線的切線電流流動的方向。為電流基素i在P點所建立的磁場，是此基素至P點的位置，則是與間的夾角。) 這是一個重要而基本的電磁學定律，很遺憾，在高中與大學的物理教材裡，卻找不到如何驗證此定律的實驗資料。

線圈槍/炮指的是一種由電流通過的電磁線圈組成的直線電動機，將發射物發射出去的武器。這類武器可以將具有磁性的發射物提升到極高的速度。有時這種武器會被稱為高斯槍/炮，是為了紀念用數學方法描述電磁加速效應的卡爾 ? 弗里德里希 ? 高斯。 電磁炮是由一個或多個線圈，沿著槍管直線排列而組成，如下圖，線圈依次開關以確保發射物得到磁場的充分加速，就是當物體接近螺線圈時電容放電，遠離螺線圈時放電完畢。電磁炮並不是軌道炮(註1)，後者會在軌道上給發射物通上強大的電流，且兩者的原理也不盡相同。第一個實用的電磁炮是由挪威物理學家克里斯蒂‧安奧拉夫‧伯克蘭製造和申請專利。 什麼是電磁炮或高斯槍？它是由一個管子加速一磁性物體。貫穿一系列電磁線圈（如電磁閥）。沒有火花或噪音和其它的副作用（如部件磨損）。經過精密的定時電路，依序激發每個線圈，這項原則可使發射體的速度迅速增加。 為什麼要建造電磁炮？它含有許多基本磁力機械的概念。電磁炮是一個簡單的直線馬達的例子，也是螺線管裡最重要的一個例子。這些螺線管看起來幾乎無處不在，從汽車門鎖到門鈴，從軟盤驅動噴射器到燃油噴射器。唯一不同的是，大多數螺線管的設計限制物體移動範圍，而且通常有一個彈簧使它彈回。 雖然電磁炮沒有工業應用，但目前有些人建議，這個系統可以用來發射在有效載荷範圍內的物體，並將之送入軌道。這是極具吸引力的，但還有許多技術上的挑戰，需要加以解決，才能被認為是可行的項目。更現實的應用例如(一) 利用一個長型電磁炮加速器，來啟動車輛，並給它一個初始速度，在離開電磁炮加速器時，讓車輛啟動本身的推進器，並使之進入軌道。這種啟動模式可以大大節省燃料成本。(二)從軍事角度來看電磁炮技術可以使用在未來作戰車輛，例如，它可以設計成一種所謂的'主動電磁裝甲'系統。超高速發射仍然是軌道炮(註1)的領域，如果有再進行研究的話。它可能令你驚訝地感到，電磁炮是新鮮事。

當我們在課堂上進行高中化學第三冊，第四個實驗--「硫酸及硝酸」時，依著實驗步驟，我們將銅片加入濃硫酸中並加熱之 並期待著Cu + H2SO4→CuSO4 + SO2 + H2O的化學反應，結果我們看見了SO2的氣泡生成，但並沒有看見藍色的Cu2+出現，反而出現了黑色的固體顆粒，顯示除了Cu + H2SO4→CuSO4 + SO2 + H2O外，可能還存在著其他反應。因而引起我們探討的興趣。

化學課本裡總是籠統的指出，當膠體溶液加入電解質，便會產生凝析的現象；但從實際在日常生活中的例子，發現並非所有電解質皆會使膠體溶液產生凝析現象。我們嘗試找出那些因素在影響膠體溶液的凝析作用，並分析造成膠體溶液凝析現象的成因，同時進一步利用膠體溶液的特殊性來發展可能的應用。研究結果發現，膠體溶液中溶質的種類影響凝析的與否；牛奶及豆漿中所含蛋白質類的膠體在水溶液中帶有負電荷，其凝析現象環境的pH 值有關。但在不同鹽類溶液中，蛋白質膠體的凝析現象有所不同，可能因為蛋白質具複雜的四級結構，許多反應無法以單一的因素歸納分析解釋。澱粉類膠體本身不帶電，但Ca(OH)2、Ba(OH)2、SO42- 會使澱粉發生凝析。而墨汁膠體粒子的凝析則是對Na+離子有特異性。氫氧化鐵及氫氧化鋁為無機膠體溶液，實驗結果符合課本中對膠體溶液性質的描述。本研究也進一步利用膠體溶液的特性來發展其可能的應用；即利用氫氧化鐵膠體粒子吸附正電荷之特性，來吸附重金屬離子，再利用將濾紙層析法濾去重金屬離子，故在稀薄、無法產生沉澱的情況下，以濾紙層析應是為一種分離重金屬離子的好方法。最後，膠體溶液因成分不同，本身結構與化學性質也不同，因此對不同的試劑便會有不同的反應結果，所以對於膠體溶液是不能以一種理論概括所有的凝析現象。

本研究以市售可重複使用熱敷包之結晶觸發與結晶成長為研究主體。由實驗推測此熱敷包中之醋酸鈉水溶液應為一過飽和之過冷溶液，以手折金屬片，可能因其裂隙釋出晶種，使其結晶；同時溶液迅速轉變為固體並放熱。實驗結果顯示，在結晶觸發及成長的過程中：（1）醋酸鈉的濃度越高，越容易觸發結晶、結晶成長速率較快，且結晶後熱敷包升高至較高溫度。（2）在熱敷包中添加醋酸鈉之同離子，發現較難觸發其結晶、結晶後溫度上升程度較低且結晶成長速率亦明顯減緩。（3）在不同溫度下，嘗試觸發熱敷包結晶，發現高溫下極難觸發，在結晶成長過程中，在5~45℃ 間以25℃時結晶成長速率最快。

秒錶反應實驗中，我們研究濃度和溫度二效應對反應速率的影響是利用碘酸根離子（ IO3 -1）和亞硫酸氫根離子 （HSO3 -l ）作用。以澱粉為指示劑測定碘分子生成速率，老師告訴我們若藍色出現時間太長，則在亞硫酸氫根離子溶液中加入少許 Na2S2O2或 H2SO4，反之若藍色出現太快，則將IO3 -1離子溶液稀釋，對這些藍色出現的複雜反應我們感到很疑惑，同時由氧化還原電位表得知H3AsO3，亦可還原IO3 -1，那麼編 H3AsO3與IO3 -1 反應是否也與秒錶反應相同呢？因此引起我們對這種複雜反應研究的興趣，而自行設計實驗，藉以揭開藍色出現之謎底。

在1A2B猜數字遊戲，人和人的對抗中發現，人的思考方式有抽象的傾向，不能對龐大的資料進行判斷處理。所以利用電腦高度的運算能力來克服上述的缺點，發展出一套獨特的思考路線。看是否能因此思考方向而推出一套「不敗」的公式。

本研究目的在探討溫度與鹽度變化對室內外養殖白蝦生長之影響。實驗共分為兩階段。第一階段將白蝦分別以四種海水鹽度 30ppt、20ppt、10ppt、0ppt 飼養三個月，各鹽度均有三缸重複組，並加以比較各海水鹽度環境下其成長率（Growth rate）、換肉率（FCR）、肥滿度、活存率（Survival rate）以及活存率和成長率的乘積值之差異。成長率（Growth rate）方面，以海水鹽度10ppt 成長率最高：三缸平均1697.73％，其次為30ppt 的 1665.31％、0ppt 的 1408.71％、以及 20ppt 的 1404.29％。換肉率（FCR）方面，以海水鹽度 30ppt 最低（最佳）；換肉率為 1.81，其次為 10ppt 的1.86、20ppt 的 2.01、以及 0ppt 的 2.30。肥滿度方面，以海水鹽度 30ppt 最高；肥滿度為0.0002485（g／mm）3，其次為 20ppt 的0.0002373（g／mm）3、10ppt 的0.0001964（g／mm）3、以及 0ppt 的0.0001605（g／mm）3。活存率（Survival rate）方面，以 30ppt 最高；活存率為 94％，其次為 20ppt 的 90％、以及 10ppt 與 0ppt 的 88％。活存率和成長率的乘積值方面，以 30ppt 最高；乘積值為 15.73，其次為 10ppt 的 14.90，接著是 20ppt 的12.64 和 0ppt 的 12.37。第二階段分四組，一組為模擬室外養殖（變溫變鹽），一組為室內養殖（恆溫恆鹽），另兩組為對照比較鹽度和溫度對白蝦生長差異（恆溫變鹽、變溫恆鹽），各組均有三缸重複，並加以比較各模擬環境下其成長率（Growth rate）、換肉率（FCR）、肥滿度、活存率（Survival rate）以及活存率和成長率的乘積值之差異。成長率（Growth rate）方面，以恆溫變鹽組成長最高；三缸平均2060.42％，其次為變溫變鹽組的2020.73％、變溫恆鹽組的1844.88％、以及恆溫恆鹽組的1748.66％。換肉率（FCR）方面，以恆溫變鹽組最低（最佳）；換肉率為3.21，其次為變溫變鹽組的3.26、變溫恆鹽組的3.37、以及恆溫恆鹽組的3.41。肥滿度方面，以恆溫變鹽組最高；肥滿度為0.0004800（g／mm）3，其次為變溫變鹽組的0.0004150（g／mm）3、變溫恆鹽組的 0.0003582（g／mm）3、以及恆溫恆鹽組的 0.0003330（g／mm）3。活存率（Survival rate）方面，以恆溫恆鹽組最佳；活存率為 89％、其次為變溫恆鹽組的83％、恆溫變鹽組的 82％、變溫變鹽組的 77％。活存率和成長率的乘積值方面，以恆溫變鹽組最佳；乘積值為16.95，其次為恆溫恆鹽組的 15.59、變溫變鹽組的 15.41、以及變溫恆鹽組的 15.25。由第一階段結果得知，各種不同海水鹽度對於白蝦生長好壞有一定的影響。海水鹽度30ppt 者除了在成長率方面與 10ppt 並列第一（因彼此不具顯著性差異）外，其他各方面皆為最好，其中活存率和成長率的乘積值最高，代表在本實驗中以海水鹽度 30ppt 者有最高的收成產量，加上其FCR（飼料相對成本）最低，能達到最大之淨收入（經濟效益）。分析第二階段結果得知：第一，活存率方面，不管在恆鹽組或變鹽組的環境之下，恆溫兩組的活存率皆明顯高於變溫兩組（皆具有顯著性差異），因此我們推論溫度的變化會對蝦體造成緊迫（stress）而造成其活存率降低；第二，成長率方面，無論在恆溫組或變溫組的環境之下，變鹽兩組的成長率皆較恆鹽兩組為佳，足見我們模擬換算民國九十年七?九月（納莉颱風前）室外降蒸量的鹽度變化（＋0.3ppt?－3.6ppt）有刺激其成長的現象；但實驗也發現，變溫變鹽組之活存率為四組最低，尤其是在模擬納莉暴雨的鹽度變化後，其活存率大幅下降了 7％，和變溫恆鹽組做比較，這段時間組活存率完全沒有下降，可見鹽度的變化也會造成蝦體的緊迫，造成活存率降低，印證了陳秀男等人（2000）的研究結果。綜合第一、二階段的結果可知，以穩定海水鹽度 30ppt 養殖的經濟效益較佳，故不需額外耗費淡水進行全淡水及半淡鹹水養殖；然而即使養殖戶在室外養殖池使用了全海水養殖，由本實驗模擬室外養殖受到全球氣候變遷的影響，造成其海水溫度、鹽度變化的結果（變溫變鹽）看來，雖然其成長率尚佳，為四組中第二，但是其活存率實在太低，使得其最後的收成產量低於室內養殖的兩處理組（恆溫恆鹽、恆溫變鹽）；而在兩種環境變因組合的四種環境中，若就收成產量而論，是以室內養殖恆溫變鹽較佳，所以如果養殖戶較注重養殖經濟效益，且淡水資源又允許的情況下，是可以進行室內養殖恆定溫度，再施予些許鹽度變化刺激其成長的，因其耗費淡水的量遠遠不及全淡水和半淡鹹水養殖的量大，但其鹽度變化是模擬嘉義地區民國九十年七?九月的降蒸量演算出來的，不一定為最適切之鹽度變化量，確切的鹽度變化量還有待未來各進一步研究；另一方面，若從資源保護來看，台灣地區淡水日漸枯竭，如養殖重鎮之一的嘉義，今年由於久旱不雨，水庫剩餘水量僅達可蓄水量的百分之十到二十，已經開始實施線水措施（2002.4.19，台視新聞）；而在地狹人稠的西部平原，土地資源也早已不足，禁不起養殖戶四處遷移室外養殖池的浪費行為；故為了更有效節約資源，所以養殖戶如能使用全海水室內養殖，恆定其溫度與鹽度，本實驗的高活存率及超集約放養密度（約125 隻／m2，為一般室外超集約養殖的兩倍多）能比室外養殖帶來更高的收成產量，也最能節省寶貴的淡水及土地資源。模擬室外（變溫變鹽）組的活存率和成長率的乘積值尤低，表示對白蝦的生物量有相當負面的影響；又由本實驗結果可知，在一般天候的狀況下，溫度對其活存率影響較劇，而全球氣候變遷造成聖嬰及反聖嬰現象發生頻率漸趨頻繁，造成東太平洋赤道附近海域海水異常增溫與降溫，可能會對東太平洋赤道附近海域中的水生物種造成相似之負面影響；聖嬰及反聖嬰現象亦會暴雨和乾旱發生的頻率增高，造成海水鹽度超出一般情形的劇烈變化，會對沿岸及近海生態系中的水生物種造成相似的負面影響，進而使得水域及陸地的食物網平衡遭到直接或間接的破壞，對全球生態更是無可挽回的衝擊，為此，我們必須更加注重環境保育的課題，穩定日益嚴重之全球氣候變遷，以達到人類與環境共存共榮的永續經營目標。

在悶熄的蠟燭的實驗中，水位會上升多少？以往都是以「燃燒消耗空氣中1/5的氧氣，所以水位會上升1/5」來說明，並藉由水位上升高度為容器高度之若干比例來加以證明。但常我們探討其中的變因時，除了發現此說法是不恰當的，此外也找出影響水面升降的因素，包括：不同的容器、蠟燭的粗細與長短、火焰的大小以及瓶內溫度的高低等，並發現最主要的因素，是氣體的熱漲冷縮。由於此現象使得瓶內氣體再瓶子密蓋之前因受熱膨脹而逸出瓶外，而且水位在火燄熄滅前會因燭火乎滅忽明而有升降，並於火焰熄滅後瞬間快速上升，充分說明了瓶內空氣的熱漲冷縮對水位的影響。因此我們利用具火槍取代蠟燭，在無空氣逸出的實驗條件下，將點火槍點燃。在假設點火槍釋出的丁烷完全燃燒，二氧化碳在短時間內容溶於水中以及水蒸氣完全液化的前提下，根據實驗所得水位上升的體積分率(1/67)，求出在燭火熄滅後瓶中仍存有9.25%的氧氣。釔結果與文獻所述，利用色譜分析求得的結果(11%)相近。如果我們以點火槍結果，模擬蠟燭燃燒，來對照我們蠟燭實驗的結果，在模擬的過程中，我們設法測出蠟燭燃燒時瓶內的溫度(將蠟燭與容器頂端之中點的溫度視為瓶內的均溫)將因受熱膨脹而逸出瓶外的氣體扣除，又因蠟燭燃燒前後的質量變化極小，無法以天平秤得，故以丁烷燃燒後殘留9.5%的氧氣來模擬蠟燭燃燒後的狀況，並將瓶中蠟燭所佔體積扣除，利用理想氣體方程式求出水位應上升的體積分率為1/6.5，此數據與我們的實驗結果(1/7.7)相近。