全國中小學科展

國中組

光影逐日-地球公轉現象的探討

同一種現象,甚至相同的測量工具,從不同的角度切入或是用更細膩的方式去觀察,往往可以得出完全不同的結果。例如觀察單擺,除了來回擺動之外,如果觀測的時間超過一小時以上,就可以看到單擺的擺動面會有明顯的轉動,從而證明了地球的自轉。而我們的圭表測量也如同這樣的情況。我們實驗探討發現,圭表所呈現出來的光影長度變化不只可以對應四季的不同,也可以說明地球不是等速率的在公轉,更可以由數據的比對中找出近日點與遠日點的確切日期,並進一步透過橢圓數學的模擬獲得地球繞日公轉的長短軸比值。如果有萬有引力定律來算出地球公轉的平均半徑,我們幾乎也可以描繪出地球公轉的橢圓模型了。

彈性碰撞和電腦撞球遊戲

(一)撞球選手,眼神專注,球桿出手,撞球應聲入袋;這兩球之間的碰撞是否遵守著某些規則呢? (二)能否將科學上的諸多實驗及公式,在電腦上模擬出來?以便讓同學們了解各個公式,並激發學習電腦的興趣。 (三)撞球是一項手腦並用的運動,理當大力提倡,所以才有意研發此程式。

養豬廢水污染終結者—功能藍菌

本實驗利用頓頂節螺藍菌(學名Arthrospira platensis)來分解或吸收養豬廢水中的有機物質及代謝剩餘物,將藍菌漸進式馴化,以「人擇」提升其對污水的耐受度,並使用未滅菌之「原廢水」來飼養,且不添加任何營養鹽。以此藍菌分解濃度20%的原廢水,進行水質檢測及菌種濃度監測。結果於第3天達到環保署豬廢水的排放標準:化學需氧量<600,懸浮固體<150,有效的分解硝酸鹽、磷酸鹽及銨根等污染物質、去除臭味。所生產的頓頂節螺藍菌(俗稱螺旋藻)還可用於養豬飼料中,以期提升肉豬的品質及免疫力。已有養豬戶在50噸的大型藍菌池中測試本實驗結果,去污效果良好且可回收藍菌做為飼料。此成本低廉且有經濟效益的廢水處理法,適用於中、小型養豬戶來處理豬廢水以降低污染源。

國產酒酒精含量相關因子探討與酒精濃度測定的實驗

從國中理化課本陸續學到物質密度求法、溶液濃度求法、比熱測定法、物質分離法、液體蒸發以及熱量計算法後,使我們很想利用這些科學知識和方法進行對國產酒的試驗,以達學而致用的願望。

非理想狀態下Newton's CRADLE(牛頓擺)能量傳遞與單擺週期的探討

探討在非理想狀態下影響1.牛頓擺碰撞之能量傳遞與2.單擺週期的因素。在牛頓擺實驗中,拉起一側的鋼珠,當釋放時,鋼珠(擺錘)將重力位能轉換成動能,並經由與其他鋼珠的碰撞而將能量逐步傳向另一側,使得另一側的鋼珠因能量增加而擺動,且撞擊顆數洽與談起顆數相同,然後鋼珠又延反方向撞回,如此反覆傳遞能量,史牛頓擺持續的擺動。但因能量不完全傳遞,以及鋼珠彼此間的摩擦、空氣阻力的影響等因素,使兩側的鋼珠擺動振福因能量減少而逐漸變小。在此討論撞擊與被撞顆數(擺錘)、擺錘質量、擺錘能量、擺錘種類、擺長,對其碰撞(能量傳遞)次數的影響。在單擺實驗中,單擺每次擺動皆因擺錘與空氣阻力的摩擦而消耗能量,使擺動的振幅與高度會漸漸減少。在此討論擺長、擺角(小於5°)、擺錘大小、擺錘種類及空氣震動的激烈程度對週期的影響。

毒他--隱藏的戰爭

相剋作用是指植物在代謝過程中釋放出有毒物質以抑制本身或鄰近植物種子萌發及植株發育生長的過程。非洲鳳仙花所在之處,少有其他植物,本實驗採非洲鳳仙花的根、莖或葉之萃取液進行相剋作用之研究,結果顯示非洲鳳仙花確實會抑制小白菜與玉米種子萌發及幼苗的生長,利用多酚類染色方法得知非洲鳳仙花產生的相剋化合物為多酚類,進一步推論土壤中的多酚類會被植物吸收,進而影響植物的生長與發育。

活躍太陽能的保特瓶燃料電池

探討自製保特瓶「燃料電池」的放電電功率受那些充電條件所影響?目前實驗出有電解質 種類、電解質水溶液濃度、電極、集氣管、溫度、電源大小、電解時間。目前找出較佳組合 是5.0M 的KOH電解質水溶液、至少經3次淬火的石墨電極、電極有半透膜的集氣管所做成 保特瓶「燃料電池」;再由自製太陽集熱器搭配提供溫水槽使保特瓶「燃料電池」可達約40 ℃的較佳反應溫度,提高電解水後的放電電功率,在放晴的天氣用太陽能電池電源電解水、 或有強風時候用風力發電機電源電解水,將產生的氫氣和氧氣來當「燃料電池」。

當「皇后」遇見「小三」-正三角形棋盤上的皇后互不侵犯問題

如下圖所示,在一邊有6個圓圈的正三角形棋盤,將某個圓圈擺上皇后,此為皇后的根據地,箭號所指的三個與邊平行的方向,是皇后所能管轄的範圍,且兩個皇后不能互相管轄到對方的根據地,不是根據地的圓圈可以兩個皇后共管。我們的研究在討論一邊有n個圓圈的正三角形棋盤中使每個圓圈都被管轄到時,最少需要幾個皇后以及最多可放幾個皇后。為了解最少需要的皇后數,我們採用算術推理以及從三個方向(↘、↙、←)的考慮、由外而內的一整排來作邏輯上的推理得到了一邊有1~12個圓圈的正三角形棋盤的最少皇后數,並嘗試透過電腦程式的執行求出更大邊圓圈數棋盤的最少皇后數。最多皇后數部分,我們透過數學歸納法得到了所有邊數情況的最多皇后數。

探討金奈米的顏色變化

我們利用氧化還原法,將HAuCl4 水溶液加入一還原劑,如維他命C,以形成金奈米粒子,改變維他命C 的濃度和劑量,以及反應時溫度,探討不同反應條件下金奈米粒子的顏色變化及聚集程度,並用紫外光-可見光(UV-vis)譜儀器加以鑑定。 實驗發現,在室溫下隨著維他命 C 劑量提升,紫外光-可見光譜的吸收波長愈小,顏色則由紫色變成紅色,而在加熱條件中,則發現金奈米粒子溶液多為紫紅色,表示金奈米粒子間粒徑變大造成UV-vis 光譜向右偏移;而在對照實驗味精溶液中,由於味精本身不具有還原力,不足以還原HAuCl4 以形成金奈米粒子,造成溶液呈現藍紫色,甚至產生沈澱。

—昆蟲馬拉松昆蟲步行模式建立之研究 —

我們想要了解昆蟲在一般情形、食物引誘、驚嚇及遭遇其他昆蟲時的足步運動。經過實際觀察螻蛄、蟑螂、蟋蟀和獨角仙的步行,發現並證實了昆蟲最常使用的步足運動是三足式步行法,並且推翻昆蟲在使用三足式步行法運動時,是從後腳開始運動的理論。我們發現昆蟲在步行時,不一定是從後腳開始運動,而且常常是從前腳或中間的腳開始運動。在實驗中我們也發現斷腳昆蟲也有其特定的步行模式。