全國中小學科展

國小組

「液」立不「搖」~探討液體搖晃因素之研究

本研究旨在探討影響液體搖晃的因素及如何減緩液體搖晃振幅。研究中我們研發了第一代、第二代以及最後利用第三代自動式搖晃裝置,然後探討不同液體的種類、黏滯度、水量及搖晃強弱對溶液振幅的影響。實驗結果發現,溶液黏滯度越低、水量越少及搖晃強度越大時,溶液波振幅越大;除此之外,我們也進行減緩液體晃動的實驗設計。實驗結果發現:液面添加奶泡、降低容器內壁光滑度可減緩液體搖晃,溶液波減晃率最高可達26.4%。容器內放入筷子、湯匙等物品,以及利用托盤將容器分隔為多個較小區域空間,也能降低溶液波晃動,不僅如此,在容器內直立3個托盤,將容器分隔為4個小區域的方式,溶液波減晃率高達88.4%為最佳。

人人善射-自製發射器探究影響飛鏢飛行的因素

看似簡單的遊戲射氣球與專業的射飛鏢競賽有什麼差異?「射飛鏢」有什麼科學原理?又應該掌握哪些技巧才能提高命中目標的機率?利用自行設計製作的「飛鏢發射裝置」和「類風洞實驗裝置」對射飛鏢不同的變因進行實驗分析,結果發現:相同射出角度且作用力愈大、放鏢位置較早的情況下,飛鏢飛行高度較高;射出角度小且作用力大、放鏢位置較晚、拿鏢位置在重心、鏢翼較小、較短或數量較少等情況下,可以得到較大的水平速度。鏢翼因回復力矩作用具有使飛鏢保持鏢頭穩定向前的飛行姿態,而太大或太寬長的鏢翼因飛行中回復力矩過大,使飛鏢擺盪幅度較大,較不易控制飛鏢落點。依據研究結果,最後找出如何調整相關的變因和步驟,順利準確的命中靶心。

正方形疊羅漢

這次的研究是要找出,當利用正方形排列成多邊形時,最多邊數的多邊形,其邊數的快數算法。首先我們討論限制堆疊方式的必要性,再透過圖形觀察,找出影響邊數變化的因素。再利用其因素,找出能排出最多邊數的「十字形排法」。推排出不同正方形數時的最多邊形邊數,再觀察其邊數間的關係,找出五個規則,之後先證明這五個規則的正確性,再利用其找出快速算出最多邊多邊形邊數的算法步驟,得到我們要找的研究結果。

陶出水髒汙-自製陶濾芯用於溪水池水之研究

我們發現市售濾水器的濾芯有陶土層和活性碳層,從文獻得知活性碳的過濾效果非常好,所以決定深入研究陶土層,開發自製陶濾芯。為了讓陶土能透水,陶藝老師建議可在陶土製作時加入麵粉,高溫素燒後麵粉會在陶土中留下孔隙,陶土就能透水。使用自製陶濾芯過濾檸檬酸水溶液、生態池水、公司田溪水及硫酸銅水溶液並與無過濾的對照組比較,發現自製陶濾芯對於過濾氯化物及磷酸鹽有不錯的效果,而且在較高濃度(10ppm)的銅離子溶液中也具有過濾效果。經過多次陶濾芯製作後,最佳製作方法為揉陶土時一起加入麵粉和鹽,鹽可以控制陶土水份含量及仰制微生物,此外陶濾芯製作成高圓柱狀及燒結溫度降至500度時,都可增加接觸面積和孔隙,大幅加快過濾速度。

四彩繽紛

研究四色定理時,我們先找出四種基本圖形,再探尋塗色方法,並且以此四種基本圖形來探討複雜圖形。發現可將複雜圖形分解成簡單的上下層、放射狀、中央有色塊的放射狀及同心圓等四種基本圖形,並依區塊編號,以相鄰不同色的原則找出各區塊對應的色塊,大部份基本圖形可用3色填滿,只有中央有色塊的奇數放射狀圖形會用到4色。合併基本圖形時,因先處理的基本圖形,限制了相鄰色塊的選擇,才會用到4色。將發現的方法驗證到複雜圖形上,不但用4色破解了兩位學者發表的只能用5色的多層同心圓、中央有色塊的奇數放射狀複雜圖形,並找到了規則。最後我們以此規則完成只用四色來著色,成功挑戰世界、歐洲、台灣鄉鎮巿地圖及網路上的纏繞畫。

穿梭 2D 與 3D~數形合一解構嵌合立方體之研究

從研習問題出發,數學模型化使用積木方塊組成嵌合面,聚焦在每個嵌合面與面間「咬合」關係。先探討存在性,發現基本嵌合面受限於單位結構,僅正六面體滿足嵌合正多面體條件。接續,透過「數值」搭配「圖形」分析,找到「n×n×n嵌合立方體建構方法」,稜值奇偶性+8 個角量判別式寫入 EXCEL,代入即可確定是否滿足「嵌合面角量之要求」及「每個嵌合面對應嵌合稜的方位」;再配合稜值—同構稜值、嵌配稜和判斷值可確認 n×n×n嵌合立方體 6 個不同嵌合面組成的正確性。 最後,透過「旋轉運算」得到「3+1 連基本結構」,可在 3D嵌合立方體與 2D嵌合矩形快速組裝轉換;解構 n×n×n 嵌合立方體有6n2−12n+8個方塊,重組成2D嵌合矩形面積最小值公式為n4−3n3−2n2+7n+3,其中 n≧4。

生物除草劑初探

本研究以五節芒為研究對象,以水為萃取溶劑,取五節芒葉、莖、根、根部土圈等不同部位進行萃取,區分新鮮植株、乾燥植株、割除後生長五天之新鮮植株、割除後生長五天之植株經乾燥處理等四大實驗,合計112個小實驗,以陸生雜草大花咸豐草和水生雜草稗草為受測對象。研究發現將五節芒割除後生長五天之新鮮植株和乾燥植株,葉、莖的水萃取液對大花咸豐草和稗草的種子發芽、植株生長、根部生長有強烈抑制作用。可取五節芒新鮮葉子加水(重量比,葉:水= 1: 2 ),以果汁機打碎研磨萃取,獲得的水提取物,即為【生物除草劑】,可用於田間,進行雜草控制。

白匏子銀白葉背與星狀茸毛功能之探討

白匏子為低海拔地區常見先驅植物,具銀白葉背特徵。利用顯微鏡觀察葉背發現密佈白色星狀茸毛,利用分光測色儀測量幾種植物葉背反光強度,發現白匏子反光能力最高。利用氯化亞鈷試紙顏色變化測量蒸散速率,白匏子葉背蒸散速率最慢。去除葉背茸毛後,反光能力下降很多,蒸散速率也變快很多。幼葉上表面長有濃密褐色星狀茸毛,下表面則為白色星狀茸毛,之後新生葉上表面褐色星狀茸毛消失,最後成熟葉只剩下表面有白色星狀茸毛。野外觀察發現幼葉與新生葉較完整且無損傷,成熟葉則大多有蟲咬痕跡。在葉子滴硝酸鐵,檢測是否含有抗蟲的單寧酸成分,結果發現幼葉與新生葉密生的褐色茸毛含有單寧酸,隨葉子成熟,單寧酸茸毛漸變少,只剩葉背有少量分布。

「薈」萃一「碳」~以自組測試工具探討自製綠色蘆薈碳焦拉膜的功能

本研究利用蠟燭燃燒產生的碳焦,混加蘆薈及自製史萊姆開發為綠色產品~薈碳拉膜。研究中為取得碳焦,探討不同火源、吸附材質及離火焰高度對碳焦產生的影響,發現距離蠟燭火焰高度1公分處,以不鏽鋼杯底收集,可取得最多碳焦量。並以自組各種工具測試薈碳拉膜的延展性、隔熱及耐酸雨濕沉降等功能及運用電腦課所學編寫程式-程小奔進行RGB透光測試遮光效能。研究試驗出蘆薈碳焦拉膜的最佳組成比例為蘆薈:碳焦:自製史萊姆(20:0.6:10)。經與市面隔熱紙比較,蘆薈碳焦拉膜具有較佳展延性,防護酸雨濕沉降功能、遮光及隔熱能力佳,有取代化學隔熱紙的可能性,符合綠色化學節能、低毒、簡潔、可解原則,是值得推廣的綠色優質產品。

粼粼波光下的矽光子波導的傳輸奧秘

新聞報導「矽光子」是台灣未來重點產業,經老師解釋,我們學習到「矽光子」是將電信號轉成光信號在波導上傳輸。光可看是一種波動現象,我們嘗試能否從水波來了解波導原理?在實驗自製水槽中,針對小振幅淺水波的水波導現象與實驗變因進行探討。經多次測試:水波經過單通道傳播一段距離後,水波振幅在約30cm後衰減,而波導上傳播的水波可延波導傳遞更遠距離(>60cm)。 進一步以水深、頻率、壓克力條高度為變因實驗。結果顯示,須同時滿足波速比≦0.65以及起振水波半波長接近波導寬度才能實現水波導現象。 在異型波導實驗中,證明水波導有缺陷時,水波依然可以維持波形在水波導上傳遞。故展示利用小振幅淺水波在水波導上的傳輸,可以學習到矽光波導的傳輸行為。