全國中小學科展

國中組

液體跟斗雲?熔岩燈之研究

本實驗嘗試用各種油品與水或酒精,加熱後製造出類似商品「熔岩燈」的效果,經過很多次的摸索與試驗,我們發現【葵花油與洗車蠟】、【酒精與果凍蠟】兩種組合有類似的效果。並且,我們發現實驗物的性質、溫度的掌控以及合適的加熱容器是本實驗的關鍵。\r 此外,我們還利用油與水不互溶的特性,再加上酸鹼中和反應,製造出類似商品的效果,經過幾次的試驗,有兩種組合有類似的現象。雖然有「熔岩噴發」的景觀,但因為本實驗是化學反應,沒有辦法像熔岩燈一樣可以週而復始地進行,所以無法完全再現商品的效果。\r 本實驗融合密度、溶解度、熱、酸鹼中和等觀念,是一個寓教於樂的展示,如果安全性更可以控制的話,相當適合在中學課程中探究與推廣。

拿破崙三角形與畢氏定理的聯想

以任意△三邊為直徑的半圓,依相同圓心角所畫出來的三切線相交所成的△必與原△相似,不論這些半圓同時向外畫或同時向內畫或內外混雜著畫,所作出來的△一定都與原△相似。對任一直角△,若兩股的半圓往外畫,斜邊的半圓向內畫,取圓心角為30°時,所作出來的切線△與原△的邊長比值恆為 ? ,本文掌握它的逆向作圖法,因此對任一直角△,若按此法連續作n 次,即可得2n 倍的相似△,反之可得(? )n 倍的相似△。 外拿破崙△與內拿破崙△ 的面積差恆與原△的面積相等,這是一個著名的拿破崙△性質,本文發現了一個同樣有趣的性質:在同圓心角的條件下,向外與向內切線△的對應邊長和,恆為圓心角是0°時的邊長的兩倍。

數學與遊戲

張鎮華教授在文章[4]中介紹威氏遊戲(Wythott’s Game):文章中提到安全殘局所成的集合Sw為 {(1,2),(3,5),(4,7),(6,10),(8,13),(9,15),(11,18),(12,20),(14,23),(16,26),…}。將這個集合中元素第一個座標的數所成的集合命名為A,而將第二個座標的數所成的集合命名為B,設其為A={a1, a2, a3,…}, B={b1, b2, b3, …}, 可以發現集合A和B滿足性質(1) A∪B=N ; 性質(2) A∩B=ψ;性質(3)數列是等差數列 ( bk- ak, k=1, 2, 3,…)。在這個研究計劃中,可以分成數學與遊戲兩部份:(一)數學部份:我們從不同的角度來介紹下列四個集合,並證明它們都相等。1.令{αs |集合S(αs )T(αs )= N?S(α)={[k(αs + s)] | k =1,2,3,…}滿足性質(1), (2), (3)},其中S(αs)={[kαs ] | k =1,2,3,…},T(αs ) = N?S(α)={[k(αs + s)] | k =1,2,3,…}。2.{αs | ([kαs ] ?[(k ?1)αs ] = 2 k=1+ (s ?1)n + [nα]), s=1,2,3,…}。3.{αs | 1/αs +1/(αs + s) = 1, s = 1,2,3,...}。4.{(2- s+√S2+ 4) / 2 | s = 1,2,3,...}。(二)遊戲部份:研究變型(第二型)威氏遊戲和推廣的三排威氏遊戲,利用我們學會的方法來找及證明這兩個遊戲的所有有利位置。下列三個集合都相等,同時它們都和上面的集合有密切的關係5.{X | X ?1/ X = [X ]}。6.{Xs | Xs- 1/Xs= s, s= 1,2,3,...}。7.{(s+√s2+ 4) / 2 | s = 1,2,3,...}。

酵母國度的產氣之道

本研究的目的在於發展一套偵測酵母菌產氣速率的新方法,藉由魚缸恆溫槽、攪拌器與吸量管的組合,除了能在數分鐘內測出產氣速率外,更克服了舊設計產氣速率測量不穩定的缺點。與糖度、酸鹼度、酵母菌數比較,此法對酵母菌活動力偵測有更高敏銳度。在實驗變因上:糖種類、糖濃度、酵母菌重都會對產氣速率造成影響。添加酒精、硝酸銨與亞鈷、亞鎳、銅、鋅離子會終止或減緩產氣,少量 NaOH 則會加快產氣。應用在環境偵測上,也證明了磁場與 CRT 螢幕的輻射對酵母菌產氣影響不大。在酵母菌型態上:產氣初期是以能快速增加個體的出芽無性生殖為主,產氣高峰過後因環境惡化(pH 值最低),可以看見長尾巴,預備進行接合有性生殖的酵母菌在顯微鏡下出現。

以小博大~桁架結構初探

桁架(TRUSS)是以三角形為基本結構再不斷延伸的結構,其應用在生活中屢見不鮮。本實驗在探討簡單桁架結構的穩定性,其穩定性以載重比(R=承重/自重)表示,載重比越大,穩定性越高。若以單一三角形來看桁架結構,底角越小的等腰三角形結構穩定性最好;直角三角形及不對稱的三角形都次之。其次,多三角形的簡單桁架,其構造越對稱且內含的三角形數量越多,結構越穩定,承重的載重比值(R)越大。簡單桁架內的零桿件雖不受力但對結構的穩定性卻有很大的助力。再者,不同幾何造型的桁架橋中以三角形桁架橋的載重比最大,具有以小搏大的概念,是製作桁架橋時,值得參考的桁架橋造型。

飛 ㄉㄢˋ 、 飛 蛋 -----古代飄浮蛋解密之一

Discovery 頻道報導:早在西元前2 世紀,漢代淮南王劉安的《淮南子‧外篇‧萬畢術》就有「艾火令雞子飛」的記載,注:「取雞子,去其汁,燃艾火,內(納)空卵中,疾風因舉之飛。」去年(92 年)的國小科展作品證實 Discovery 頻道的報導有誤,空蛋殼用線香的熱氣浮力是飄不起來的。但是「……疾風因舉之飛。」這句話讓我們想到:利用熱氣球的熱氣浮力並不能造成「疾風」;而水火箭或是火藥的噴射「疾風」,也就是作用力與反作用力原理,應可以造成蛋殼的噴射。經過我們的研究結果發現:一、 燃燒產生熱氣的浮力,連蛋膜都無法漂浮,更不用說使蛋殼飛起來。甚至高溫還會使得蛋膜焦黑萎縮。可見熱氣球原理無法使用。二、 利用自製小型密閉水火箭的噴射原理,測試要使6 公克的蛋殼噴射,至少要1.92 個大氣壓才能射高2 公分。但是蛋殼灌氣加壓至1.28 個大氣壓起,就有可能會爆裂,更不可能彈射近一人身高的高度。三、 為避免壓力過高造成蛋殼爆裂,接著我們改用火藥噴射原理。發現:1. 噴射口如果大於 1.2 公分則噴氣力量分散,無法噴射起飛。2. 火藥量若超過 0.4 公克,所產生的氣壓會造成蛋殼爆裂。而單純利用火藥噴射,就如同發射空的水火箭,大都噴射不到10 公分高。3. 若加入砂子一起噴射,則0.36 克的火藥量以及1.5 克的砂子並在噴射口塞上0.03 克的棉花,所產生的反作用力及噴射效果最佳,蛋殼彈升的最高紀錄曾數次達1 公尺以上的噴射高度,而且砂子在蛋殼底部維持重心,更容易造成垂直的起落。由本實驗結果推論:古書中所敘述的「取雞子,去其汁,燃艾火,……疾風因舉之飛。」應是最早的火箭原理的應用,而非應用熱氣球原理的開創者。本實驗設計正是提供學生引起動機學習牛第三運動定律的最佳探究教材,是「作用力與反作用力」的最佳實驗例證,值得推廣!也證明古代中國科學文明的昌盛!

我不要做「熱」鍋上的螞蟻─熱島效應面面觀

近年來都市的高度發展,「熱島效應」日益嚴重。本實驗透過150 位同學實地測量台中地區的氣溫,並設計「熱島效應模型」來模擬熱島效應的成因,進一步探討各項變因對熱島效應的影響。此外,希望能從蒐集的文獻記錄中,推測未來熱島效應的趨勢。最後提出改善對策,以提升環境品質邁向都市永續發展。本實驗具體結論如下:一、 台中市冬季熱島強度(△T)為4.6℃,比民國81 年的4.0℃,增加了0.6℃,顯示熱島效應有增強的現象。二、 夜晚、寒流、建築密集、人口數多、用電量大、空氣污染嚴重等對熱島效應的影響較顯著。三、 白天、雨後、假日、植被多、水域多等對熱島效應的影響較不顯著。四、 經過「鄉村模型」的測試,綠化面積增加70 %,氣溫少升高1℃。

潮汐來電

雖然由水壓公式,可以由水位,計算底部的水壓,但是我們經由實驗,以針筒製作活塞,以及減重法方式來測量水壓,成功地直接量測到不同水位時,底部的壓力。由截面積不同的活塞水壓量測實驗,證明壓力與水位為線性關係,分析實驗數據證明,相同水位,有相同壓力,但是底部承受總壓力與受壓面積成正比。經由實驗證明,水壓並無方向性,垂直向下及轉彎橫向所測得壓力,結果幾乎相同。 依照我們的構想,成功製作自動虹吸管裝置,模擬潮汐變化,可以充分應用水位差產生的能量,而且漲潮與退潮皆可利用來發電。規劃潮汐發電應用,經由發電量計算,將可提供675 公尺碼頭岸邊的安全照明,只要1?2 座發電蓄水池,就能達成漁港保護人車安全的目的。

從不朽的廢物-塑膠袋中提煉出油來

我們時常在放學途中,看到有人撿拾廢置的塑膠袋,但未明究竟。請叫老師後,知道是因為塑膠製品不受細菌分解,無法腐爛,所以收集回爐重新製造,或者乾脆燒了。

火焰之舞

國慶煙火在天空綻放時,顏色斑斕炫爛,不禁在想,火藥裡頭究竟加了哪些物質造成這些五顏六色的絢麗光芒?於是開始搜尋資料,發現這些多彩的色光,是因為電子在不同的軌域中躍遷時放出來的光芒,稱為焰色反應。於是我們開始動手作實驗,發現在酒精膏上填充不同的金屬離子會出現不一樣顏色的火焰,而且在火焰的外部加入電場,竟然能使火焰產生偏折的現象!這個現象更引起了我們的好奇,火焰中是否含有帶電離子,以致於被電場吸引?又添加不同價數的離子,是否會因為價數的不同而造成偏折角度的差異?於是我們經過了反覆實驗後觀察到失去電子的正電離子,確實會因為電場的影響造成不同角度的偏折,且正電離子本身的價數越大,造成的偏折角度越小。