全國中小學科展

國中組

孟氏定理之角元形式及其逆定理在凸多邊形之探討及其應用

此作品是針對孟氏定理比例線段形式之逆定理,角元形式和它的逆定理的探討,嘗試將其推廣到凸 n 邊形。把角元形式推廣到凸 n 邊形,我們用三角形面積公式及比例線段形式,解決此問題。為了使研究更完備,探討其逆定理時,意即當滿足比例線段形式或角元形式時,n 點能否共線?但我們發現它未必成立,而且我們也在奧林匹克數學的幾何問題一書中所提到三角形之孟氏逆定理發現它的證明錯誤,我們給了反例,並且加上條件,運用相似形及三角函數的基本性質證明出兩種不同形式之孟氏逆定理。對於本作品,也給了一些應用,如著名幾何問題─斯坦納(Jakob Steiner, 瑞士)定理,運用角元形式之結果給了一種新證法,而且也用比例線段和角元形式來解決幾何競賽題及角度問題。

千「片」一「綠」-光照對葉綠素濃度之影響

為何葉片顏色會有深有淺呢?為瞭解光照與葉片葉綠素含量的關係,利用自製比色計,分析葉綠素萃取液。本研究開發酒精冷萃取法,藉此取代課本的酒精熱萃取法可能造成葉綠素成分破壞進而影響分析結果。酒精冷萃取法還能處理大量樣本,並解決因榕樹葉片角質層較厚而不易萃取的問題。 結果顯示,光照強度會影響榕樹成熟葉之葉綠素含量,光照充足而弱光時葉綠素含量會較高。光照不足時,葉綠素含量則會先增再減;此變化係因海綿組織光照不足所致。無光時,葉綠素含量也會先增再減,甚至到35天時葉片黃化、落葉,落葉前測得葉綠素含量低至遮光前的22.59%。 另外經酒精冷萃取法萃取後的葉錠亦可進行光合作用產物─澱粉測試,實驗結果與酒精熱萃取法的結果相符。

利用摺紙藝術製作發電裝置

本研究利用噴蠟印表機印製特定圖樣製備隔膜型紙電池。利用蠟本身具有疏水的特性,將可簡易的製作出紙流道。在紙電池中分別滴上硫酸銅、氯化鋁溶液,並利用玻璃紙當作隔膜,黏上銅片和鋁片,最後利用摺紙的方式將紙電池組裝起來。鋁片就會形成電池中的陽極,銅片將成為陰極,而玻璃紙就能取代鹽橋作為離子交換的介質。在紙電池的頂端,進水口的地方滴入幾滴水,水就能藉由紙流道進入電池內部,數秒鐘內即可測量到電壓,最後經過不斷的優化電池的設計,此電池的開路電壓能夠達到0.915伏特。

蟹殼與環保──差動水質監測器

陽光、空氣、水和土地為人類生活環境中之必須條件。環顧四週水與我們日常休戚相關,近來工業成長,人口激增,水質汙染日趨嚴重,因此水質源之保護,及避免毒物進入水中威脅人類健康,為社會各界所關注。 我們在第三冊理化關於醣類介紹無意中和老師聊到蟹殼中的多醣「幾丁質」。基於下列理山我們決定加以探索「水質分析之旅」(一)蟹殼是我們安平地區漁市到處棄置之物質,不僅腥臭難當,且有礙觀瞻,若能加以利用豈不是一舉數得。(二)實驗室中常把有害重金屬鹽類任意排放,若能加以處理再進行放流對環境水質定有幫助(三)學校各類用水是否可由我們發展一套監測系統。於是在老師指導克服下,實驗得以夠順利展開。

明察秋毫-利用錄音程式準確紀錄化學反應

對於第 22 屆全國科展化學科得獎作品『利用溶液導電性觀察溫度對反應速率的影響』,在歷經廿年來電腦科技的日新月異,我們認為在技術上應還有相當的改善空間。所以我們希望能利用電腦錄音程式準確記錄化學反應過程中離子的變化情形,並且希望能找出反應結束的時間點。於是我們利用硫代硫酸鈉與鹽酸的反應改變其溫度與濃度,再將儀器接上並錄音記錄。但是我們發現所錄到的圖形雜訊過多,並且不符合我們的推論:電流越大,振幅會越大。我們推測雜訊過多的原因有:加入溶液時濃度的變化造成雜訊、電腦電阻過大及儀器架設的線路老舊使電流不穩定。於是我們將儀器焊接起來,並運用蜂鳴器的音量變化呈現化學反應過程的電流變化,再利用精密麥克風及電腦錄音程式測量及記錄蜂鳴器聲音變化的圖形。終於發現可以將整個化學反應過程記錄下來,並且能夠在圖形中明確的顯示反應的開始點及結束點。也就是對於離子數目及種類會改變的化學反應,我們已經能利用簡易的電腦設備及靈敏的錄音程式,觀測整個化學反應過程離子的變化,進而精準運算出化學反應速率。這不但改善了目測法的誤差過大,也不必藉助光電比色計法的昂貴儀器耗費。更可貴的是在本實驗中我們的電腦能錄到 0.006mA 的電流變化。在缺乏設備及經費的國中、小,是一項有利於學校對化學科教學及研究發展的新發現。

魚兒避險行為應用在監測水質毒性上之研究~ 以小斑馬魚和小朱文錦魚為例

在水質污染日益嚴重的今天,無論是民生用水或農漁業用水,水質毒性的監測與建立預警機制是很需要的。本實驗內容分兩部分:第一部分是以小斑馬魚和小朱文錦魚作為試驗魚種,利用其避險行為習性,建立一般活動與水質遭受毒性污染之警示指標值(WI值)。第二部分是應用建立的WI值,對本市下水道排放水做檢測,了解水質受毒性污染情況。 初步檢測得知,以小斑馬魚和小朱文錦魚作為試驗魚種,其一般活動之WI值,依序為0.36及0.28;另應用於檢測本市下水道排放水之WI值依序為0.97及0.93,顯已超出一般活動警示指標值0.36及0.28甚多;由此推論本市下水道排放水,已遭受嚴重毒性污染,值得有關單位重視並以此之研究結果,作為如何改進下水道水質之參考。

海中諧星

本研究是為了觀察小丑魚的巡邏範圍和牠與海葵的共生關係。小丑魚的游程是短距離而非遠距離,一游出海葵將遭到攻擊。觀察小丑魚的領域以海葵為中心,並確定視覺是否為辨識領域的重要因素。從1868 年自然學家Dr. Cuthbert Collingwood 發現小丑魚和海葵有親密共生關係,許多人被牠的美和海葵的親密關係所著迷,因此小丑魚和海葵是水族箱裡重要角色。如果放入水族箱裡海葵會展現與大自然中的海葵不同的型態,所以在水族箱裡不易看到海葵最自然的型態。台灣有5 種小丑魚,而在綠島有4 種,最普遍是白條和克氏小丑魚,其他兩種為粉紅和公主小丑魚,但分佈不多。本實驗由教師與潛水教練訓練學生利用水肺潛入綠島海中,約6 米至18 米深度觀察小丑魚和海葵的共生關係,困難點為利用水肺功能需有良好的海況及能見度才容易觀察,在海下觀察只能維持30~50 分鐘,所以不易作連續觀察。我們發現小丑魚可以利用週遭的地形或物體做指標而巡邏牠們的領區,牠們在白天能看到其他游過的魚群或進入牠們領域範圍的魚類,選擇性的把牠們趕走。不同種類的小丑魚區域的範圍大小有所不同,有些巡邏時離海葵可以遠到3~4 米左右,其他較溫馴小丑魚的會接近海葵,但當其他生物侵入海葵時會展現猛烈的攻擊。小丑魚大部分不會游離海葵太遠,而視覺的能力在晚上會降低許多。

快快快看誰反應快-利用光敏電阻測定反應速率

自然與生活科技課程中有許多化學實驗是利用肉眼來進行結果的判讀,常因觀測者個人的差異而造成數據解釋上的誤差,例如南一版第四冊第一章實驗 1-2「溫度對反應速率的影響」中,利用硫代硫酸鈉和鹽酸的反應所產生的黃色硫沈澱遮蔽錐形瓶底部「+」符號的時間來觀察反應速率,常發現觀測者彼此之間的差異很大。為改進此一缺點,利用硫化鎘(CdS)為光敏電阻的材料連接電源及三用電表,並以白光 LED 為光源;在光照射下的電阻值較小,因反應進行後產物黃色硫沈澱會遮蔽了光對於光敏電阻的照射而導致電阻值逐漸增加。藉由測定電阻值達到一定值所需要的時間來取代肉眼判讀硫沈澱遮蔽錐形瓶底部「+」符號所需的時間,結果發現反應物的濃度愈高或反應的溫度愈高,所需達到一定電阻值的時間就愈短,彼此間呈線性關係,與肉眼測定的結果比較,準確度較高,且儀器體積小組裝方便可用於同類型的實驗。

真的是23.5度嗎?-以天文及氣象資料探討固定型太陽能板最佳架設傾斜角

本科展作品,藉由理論計算、模擬實驗與實際系統量測交互比較驗證,依據太陽運行軌跡與氣候資料,逐步探討固定型太陽能板最佳架設角度。我們依序進行10個實驗,最後成功驗證一套能依據太陽能板所在緯度、方位與全日空日照量來決定出固定型太陽能板最佳架設傾斜角的方法。並據此實驗成果,進一步成功研製一固定型太陽能板架設角度標示儀,能協助業者與DIY者輕易架設正確固定型太陽能板架設最佳角度。

雙瞳-藤原效應的觀察和模擬

台灣夏秋雨季常有颱風侵襲,甚至有雙颱同時影響的歷史紀錄,對於雙颱的產生和本身的交互作用,一直是引人注意的話題。本實驗的目的為利用自然界的重力和科氏力所產生穩定的兩個水漩渦,模擬兩個颱風的交互作用,並利用紅墨水來增加觀察的便利性,探索藤原效應的理論。由於器材的簡易特性,所以隨時都可操作,讓我們體會到複雜的原理可用簡單的器材進行了解。對於實驗所得結論,除了和理論刎合之外,當中有關水位高低和漩渦形成關係,孔徑大小變化對兩漩渦之間的拉扯,牽引,結合的影響,更可以進一步深究。