全國中小學科展

國中組

水管捲捲捲

「物理馬戲團」這本書有個實驗是,將水倒入捲成圓形的水管中,會流不出來,我們想研究這個現象。首先改變纏繞的水管圈數,發現上升水位會改變,而增加的高度與所繞圓柱體的直徑相等。改變圓柱體的直徑,發現圈數增加,上升水位也增加。而改變水管纏繞密度,則不影響實驗。將水管纏繞為橢圓狀,發現橫軸長改變,不影響上升水位高度;若縱軸長改變,則上升水位高度會增加。改變水管為波浪狀,發現影響上升水位高度的仍然是波浪垂直高度及波浪數目。 最後,探討過程中水管內產生的空氣柱,發現是導致上升水位改變的主因;而且,封閉空間的空氣柱,會符合波以耳定律。也證實,只要水管纏繞圈數夠多或纏繞的垂直高度夠大,的確會造成水流不出來的現象。

探討離子電流的電磁效應與替代金屬導體的可行性

為了證明離子感應電流的存在、測其大小及探討離子溶液代替金屬導體之可行性,我以離子分離電容器、螺線管、羅蘭環及萊頓瓶等器材,設計感應電流的量測方法。藉由電壓紀錄器記錄瞬間的感應電壓,再由測得電壓換算成電流。實驗結果顯示硫酸銅濃度 5%時,離子漩渦電流產生 4.4×10-4(μA)的感應電流,離子螺線管產生 1.89×10-4(μA)的感應電流,且離子濃度約 15%時,漩渦離子產生的感應電流最大;當噴水速度達 1032 (㎝/s)時,帶電水霧產生 3.4×10-4(μA)的感應電流,且噴速越快,產生的感應電流也越大。由實驗結果驗證了離子感應電流的存在及離子溶液代替金屬導體的可行性,藉由感應電流之偵測及離子溶液的導電性,更可拓展至直流發電機、金屬偵測門、及科幻片中在空中飛行的車子等無可限量之生活應用。

如影似真的偏轉魔力─科氏力

藉由本研究,我們希望能了解到〝既抽象又難捉摸〞的科氏力與科氏力效應,也期能解開地理或自然課本中的東北季風、西南季風的偏轉之奧妙。本研究裡,有四大摘要著眼點:(1) 教學網路上常出現「北半球的浴盆,放水時水渦流旋轉是逆時針??!!」的討論,就有很多種版本說法與爭論。今我們利用實驗、分析再經巧思設計讓「科氏力」大小並不足以影響小小漩渦的旋轉方向,變成足以影響。(2) 再由數學式去探討,並算出增大t 、ω 、V 三因子皆會使科氏力偏移的效應變的更加明顯點(尤其作用時間更以“平方”成正比地增大)。由此來改良實驗讓科氏力效應變大。(3) 試著從日常生活的大、小尺度(遠、近距離運動)科氏力效應或生活周遭的蛛絲馬跡現象來統計,證明科氏力如影隨形作用在運動的物體上或生物體上。也許小尺度不會有那麼明顯的結果(被科氏力輕微捉弄),但只要我們能仔細地加以觀察,都可從一些「蛛絲馬跡」得到印證。(4) 科氏力其實是科學家假想出來的一種力,是由於地球自轉造成的。我們盡量從〝感覺〞去著手,讓它有點〝不抽象〞。

鍬形蟲知多少-數種構造與功能的研究

在昆蟲世界中,鍬形蟲是最為奇特雄偉的昆蟲,形像就似一部裝甲車,其頭部長著一雙十分有力的大夾子,令人看了甚至還會懼怕他。小時候爬山時無意問在山區裹發現此種昆蟲,看到他的形體與動作感到十分有趣,於是便將鍬形蟲帶回家飼養,由於在觀玩之中培養了濃厚的興趣,而想要進一步了解他的生態,便在小學二年級著手研究,至今已有八年了,在此次科展中就將這多年來新發現的一些資料加以整理,並以科學化的設計作各種探討與實驗。

愈吸愈「胺」心-胺基磁性粒子吸附之探討

磁性粒子可吸附水溶液中微小顆粒,再以外加磁場將之與水溶液分離,本實驗中的磁性顆粒(Fe3O4)先以矽酸鈉對其表面包覆,以保護磁性顆粒而避免其在水溶液中受到酸鹼的腐蝕,再利用胺基修飾合成具胺基的磁性吸附粒子,用此胺基磁性粒子對水溶液中的Cu2+,陽離子染料(亞甲藍)、陰離子染料(RB5) 進行吸附實驗,發現在pH值約為7時,對Cu2+有很好的吸附效果;pH值約為6時,可以大量移除水中的陰離子染料(RB5),但由於胺基在水中會形成NH3+,故不易吸附陽離子染料(亞甲藍);吸附過Cu2+的胺基磁性粒子,可在酸性溶液中將Cu2+脫附,再重複利用,在鹼性溶液中,RB5也可從胺基磁性粒子上脫附,但效果不如Cu2+。

「如膠似漆乎」-液體的黏滯性之研究

拿湯匙想舀出蜂蜜沖泡突然湯匙滑落瓶中,其緩慢下沉狀態激起了好奇心,觸發想進行\r 液體的黏度之實驗研究。研究包括:\r 一、應用不同口徑量筒,以外插法求出量筒口徑趨近無限大時小球的終端速度,避免量筒邊\r 界影響力,進一步成功地推算出液體的黏度為何。\r 二、逐一有計畫地改變了液體的溫度,從實驗數據歸納出液體黏度會隨溫度變化的情形為何。\r 三、創意設計,測量高黏滯性液體流過漏斗的時間,積極討論,建立其物理科學模型與理論\r 架構為何,以能預測液體的黏度數值,發現了從實際的實驗結果與我們所建立的理論模\r 式之黏度的預測趨勢非常吻合,誤差極小,可成功作為預測液體黏度之有效研究方法與\r 物理模式理論架構。\r 四、自製研發實驗裝置測量液體之撞到障礙物而能開始旋轉的高度以及其旋轉的週期為何,\r 並且能與黏度進行比較與討論,探討其間的關係與原因為何。

神秘魔法石,銅銅抓起來

學校及工業的硫酸銅廢液處理已有多種方法,然而我們研究出全新的方法,利用大理石吸附並去除水中的銅離子,不但可以使硫酸銅廢液達到放流標準,且可以回收硫酸銅晶體。我們加入氨水使溶液呈深藍色,再用分光光度計測波長590nm的吸收度,發現大理石對各種銅鹽均可吸附而表面呈藍綠色,大理石質量越大、顆粒越小則飽和吸附量越大,初始pH值不影響飽和吸附量,低溫時,吸附速率及飽和吸附量均下降。我們證明大理石吸附硫酸銅為化學吸附作用,表面藍綠色附著物為鹼式碳酸銅。我們又發現無灰粉筆也可以吸附銅離子,所以廢棄粉筆有了新用途。最後我們把已吸附銅離子的藍綠色大理石,利用硫酸洗出銅離子,經由再結晶得到硫酸銅晶體,回收率達91%以上。

揭開獨目美女神秘的面紗

獨目棋盤的定義:在m×n的方格棋盤最右上角方格中先放置一個黑色棋子,其餘方格皆為空格,有如白眼球中的黑色瞳孔,故稱之。 獨目棋盤的棋子放置規則:最右上角方格中先放置一個黑色棋子,之後每次可以在剩餘空格中放入一個白色棋子,並且同時改變相鄰方格中棋子的顏色,即黑改白,白改黑,若是空格就無變化。 本文證明了什麼樣的獨目棋盤在放滿棋子後,會讓方格內的棋子都變成白色棋子,並且找出可以令人依循的放棋原則,以及對所有棋盤設計一種通用放法,最後算出一些棋盤的所有放法。此外,我們改變黑棋的初始位置與初始黑棋的數目(可為0),試著探討與原棋盤的不同之處。

「碳」危觀止-自製微型化學儀器,檢測空氣中一氧化碳的含量

近年來一氧化碳中毒事件頻傳,此時我們想瞭解是否能有一種有效測出一氧化碳氣體的方法。但據所查的資料顯示,目前市面上的偵測方法不外乎儀器太貴、偵測溫度太高或是鑑別度較低等困擾。因此,我們想要找出有更好偵測一氧化碳的方法,於是我們收集資料,經過詳加比較後發現,CO(羰基)會與過渡金屬離子形成錯合物。根據實驗得知,在稀醋酸及硫酸鎳的溶液下,對偵測CO 存在有良好的效果。再配合LED 燈、光敏電阻及三用電錶,自製出「攜帶式微型雙打氣化學儀器」,最後再接上自製電路及蜂鳴器,對偵測空氣是否含有一氧化碳有高的相關性,並能有效的檢測出一氧化碳的含量。本自製微型化學儀器對一氧化碳的檢測分析結果,其 [COppm] = 2×107 × [偵測時間× 0.9]-2。

片面之磁

本研究是對磁鐵同極相斥特性、磁通密度加成性、磁性材料導磁特性進行研究。由實驗發現,非金屬都不會被磁鐵吸引,但也不是金屬就可以被磁鐵吸引,如銅、鋁就不會被磁鐵吸引。另外,由實驗發現,磁鐵的排斥距離與靠近磁鐵物品的種類、形狀、大小與放置位置都有關。靠近磁鐵的鐵線越粗、鐵線排列越緻密與鐵線在4.50 cm 以內時鐵線的長度越長,越能縮短磁鐵的排斥距離。在本研究中亦發現,(1)磁鐵排斥距離與10.00 cm 長導磁材料的線徑呈線性減少關係;(2)在10.00 cm14#鐵線相距180 度下,磁鐵排斥距離與磁鐵的磁鐵的磁通密度呈線性增加關係(3)當14#鐵線長度小於4.50 cm 時,鐵線排列距180 度、90 度、45 度時,磁鐵排斥距離與鐵線長度亦呈線性減少關係。另外,由本實驗也可了解鐵線如何影響磁鐵磁力線分佈。最後,本研究選擇磁通密度為3000 高斯的磁鐵,加上磁鐵同極相斥及片狀導磁材料導磁易形成『片面之磁』的特性及水的浮力原理成功做成『上升水位監測系統』及『下降水位監測系統』,這兩個系統可應用於河川水位警示。