全國中小學科展

國中組

聲音的槓桿原理

槓桿原理的運用廣泛,但在物理學鮮少和聲音聯結在一起。至少在國中生很少人會將兩者聯想在一起。我們卻從人耳的生理結構,突發奇想,想打造一套能傳遞聲音的槓桿結構,並研究其特性。在克服了重重困難後,我們果真成功從零到有自製出獨一無二的實驗系統,藉由不同支點、不同抗力臂、不同施力臂的調整以及不同平衡質量的調校,我們在仿生的世界,發掘未知的奧秘並享受實驗的樂趣。很多生理學的教科書都說人耳的三小聽骨類似槓桿結構有放大作用,但我們的研究卻發現槓桿結構對聲音的傳遞並無明顯放大作用,反而是過濾作用。欲知其詳,且看我們的研究分析。

再造生生不息的世界—鹽化植物大作戰

鹽害及乾旱是限制植物生長和分布的重要因素之一。據估計全球三分之一以上的灌溉土地均有鹽害的問題存在,肥料的使用與海水倒灌一直是土壤鹽害的兩大元兇!鹽害對植物的傷害到底多大呢?若以不同濃度的鹽水培養植物,則因植物耐鹽性的差異,仍可發芽,但發芽率很低。若先以清水催芽後,在以不同濃度的鹽水培養植物,則可大大提高發芽率。可見催芽對植物的重要性!然而,鹽化的傷害在初期最嚴重,中期與後期因植物較能調節使傷害降低,但不論初期、中期或後期在模擬海水的濃度下生長都有抑制!植物對鹽害的生理反應是:首先葉片開始變形、捲曲,莖部失去水分而枯萎,到萎縮而死亡。根部吸水量的減少,細胞的溶質相對提高,使細胞滲透壓提高,雖然提高滲透壓,仍無法吸收外界的水分,所以植株會因吸不到水而響生理作用,走向死亡的命運! 在水耕植物鹽化的即時處理的實驗中雖然初期的生長有所抑制,但仍可恢復生機!而其決定關鍵在鹽化後5-6小時之內!另外,在模擬土耕環境下土壤鹽化的恢復對植物的影響,得到了很好的結果,決定關鍵在鹽化後4-5小時之內,對植物而言仍可恢復生機,且生長良好! 雖然如此,我們仍希望能搶救垂死的植物,實驗證明促進植物的呼吸作用可促進植物長出新根。電解水的灌溉可救活更多更嚴重的植物。而我們找到一些吸收鹽類的植物,在不影蠻生態平衡下,以最經濟的做法解救他們!相信未來能有所貢獻於社會!

氣孔的大小及分布之研究

在學習葉的構造時,課文中說:「一平方公分的葉面約有一萬個氣孔」,使我們想起實驗 3-l「動植物細胞的比較」,老師曾教我們製作玻片標本,觀察洋蔥及鴨跖草的表皮細胞,我們看到的洋蔥表皮細胞,是長方形的,排列非常整齊,但並沒有看到氣孔,鴨跖草的表皮細胞就比較胖而短,而且看到好清楚的氣孔可是「真有那麼多嗎?」「那麼多要怎麼數呢?」「洋蔥的表皮怎麼沒有氣孔?」於是同學們便在校園採集了許多植物的葉片到實驗室,想看個究竟,但是都不容易剝下表皮,所以我們請教老帥,開始研究如何觀察氣孔?並測定氣孔的大小及其分佈的情形。

氯化氫化學式之測定

第二冊化學課本第七章之實驗7 -3.2利用氯和氫反應生成氯化氫的體積關係,算出化合之克原子數比而求出氣化氫的化學式。因為這實驗有爆炸的危險,所以一般老師為了安全,都不作此實驗。既知如此,這實驗豈不沒有存在的價值?所以我們希望修改這實驗,使其不再有爆炸危險;同時又能達到相同目的一一求出氯化氫的化學式。因此我們作了兩種嘗試。

「無生」勝「有生」-北臺灣全年無休的睡蓮葉片繁殖法

一般植物的幼體是很難在水生的環境順利成長,睡蓮是以無性生殖來因應這個難題。本研究揭開了這個秘密----子母蓮在葉片上營造出適合孕育子代的環境:葉心與葉緣裂口形成一個育兒機制,能使得葉上芽維持在一個水份適當與淤泥不缺的環境成長,先把孩子養大來提高在水底的存活率。我們也發現,沉入水底尚未著根固定的幼苗,它具有選擇合適居住地的能力。 另一個是:熱帶睡蓮在冬天都處於休眠狀態或死亡,桃園的蓮花季只能有短短半年的光景。本研究成功的克服了寒流中低溫和日照不足的限制,以葉片大量繁殖,使得在北台灣都能夠全年無休的進行。並且,嘗試將睡蓮迷你化,馴化後在室內以小水盆栽培,擺放辦公桌上,是一種新的應用商機。

改進鋅銅電池的電流至一千倍!

鋅銅電池是最古老的一種電池,這種電池在課本中僅用來說明電池的基本原理,它本身卻不能像鉛電池或乾電池那樣,能夠拿來做為各種電器的電源,例如使電燈發亮使馬達轉動等等。原因是鋅銅電池的太弱了,不到一般實用電池的千分之一。 正因為像鋅銅電池這一類的伏特電池不具實用性,所以科學家後來又發明了鉛電池及乾電池等比較優良的電池。我們很好奇的想知道,如果對鋅銅電池加以改進,是不是也能讓它像乾電池那樣優良,拿來做為實用性的電源,以點亮燈泡或推動馬達?

發鹽橋語誰來放電?探討以金屬代替鋅銅電池鹽橋的反應

許多人認為以金屬導線取代伏打電池中的鹽橋不會有電流,也有人認為只會產生瞬間電流。真是這樣嗎?我們用不同的金屬(銅、鉛、鐵、鎂)取代鹽橋(下圖左)。每次觀測兩個半小時,發現持續有電流。觀察發現電極上堆積的金屬為疏鬆粉末,溶液和電極持續反應。鹽橋的功能是維持兩杯溶液呈電中性,以金屬導線取代又是如何?我們認為若以金屬作橋,就像兩個獨立的電池串聯(下圖右)。我們經實驗證實以上想法。關於金屬作橋的電池的放電反應,詳細說明請參P17。實驗發現以金屬作橋,電流與較標準鋅銅電池不穩定,缺乏實用性。希望未來我們能再研究,設計出具實用性的金屬橋電池!

載流導線在磁場中的受力與牛頓第三運動定律

在二年級理化課,當老師在介紹力時,曾經提到當一個作用力存在時,一定要存在一個受力體,也就是不可以有一物體施了力,但卻沒有物體受力。另外老師也提到,當甲對乙有作用力時,乙同時也會對甲施一作用力,此力可稱為甲對乙作用力的反作用力。而且這兩力的大小會相等,作用方向相反,但在同一直線上。老師說:這稱為牛頓第三運動定律。但在三年級理化課時,當老師介紹到將載流導線置於磁場中,若導線的電流方向與磁場方向不平行,則導線會受到一與磁場方向垂直之作用力。其方向可由右手開掌定判斷。因此我們對這定律有了一些疑問。我們的疑問在:磁場並非一具體物質或物體,磁場的存在只對磁性物質與載流導線有作用。如此,當一載流導線在磁場中受力時,是否也會產生一反作用力?如果是,它是施力於何物呢?是磁場所存在的空間嗎?不可能,因為空間不是物質,不能受力。還是施力於產生磁場的物體呢?反作用力的作用是否仍像一般反作用力的產生一樣,直接由受力體對施力體作用?力量的大小又是如何的呢?牛頓第三運動定律是否仍適用於電流與磁場的交互作用力呢?

【蒸】的不簡單

本研究是探討蒸籠以電磁爐隔水加熱時,蒸籠內溫度上升的情形。 從研究一知道,加熱過程中,以底層溫度上升最快。研究二中發現蒸籠體積越大,所需加熱時間就越長。從研究三知道蒸籠內的隔層會影響溫度分佈,並且會發生溫度分層暴衝的現象,在研究四發現隔層孔洞越大,溫度暴衝現象就越不明顯。 研究五中,在蒸籠內加裝光敏電阻及扇形雷射光後,發現加熱過程中,蒸籠內的白色水霧量在溫度暴衝發生時,會大幅增加,但之後又會因高溫變成透明水蒸氣,此時,從外接的自製壓力計發現蒸籠內的壓力大於外界壓力。 最後利用前面的研究數據,設計出三款改良式蒸籠。 值得一提的是,完全密封的蒸籠反而不利於加熱,適度將空氣排出蒸籠是有利於加熱的。

「度」、「度」為營---密謀計 水的密度變化VS簡易溫度計的設計

首先我們討論純水的溫度-密度關係,發現在20~50℃間溫度越大密度越小,並且近似於線性關係。再者,藉由討論伽利略溫度計的原理,嘗試利用周遭素材自製該溫度計。然而,在這樣的溫度範圍之中,純水對於溫度相當不敏感,以至於利用純水製造伽利略溫度計有一定的難度,所以我們討論下列兩點:\r 1. 溫度標示球的設計。\r 2. 不同溶質的水溶液其溫度-密度關係。\r 由設計溫度標示球,我們發現伽利略溫度計若要靈敏,其密度必須極接近水溶液的密度,並且形狀必須盡量呈現下廣上窄。而當我們測量不同物質其水溶液溫度-密度關係,我們分別比較食鹽水、尿素與酒精,經比較結果發現三個溶液的靈敏度分別為:食鹽水溶液>尿素水溶液>酒精水溶液,完全符合我們的推測。