全國中小學科展

佳作

來電用「絲絲」---絲藻在微生物燃料電池之應用

在養殖池中絲藻的增長速度非常快,會影響魚苗的生長,造成漁民的困擾。若將其當作再生能源利用,不也是一種廢物利用的做法嗎?\r 本實驗利用絲藻培養的新菌種「YMJH 一號」,以自製微型雙槽式研究微生物燃料電池的產電效能。以8cm×8cm 半透膜取代價格而貴的質子交換膜、陽極置入台製生化棉及0.005M 葡萄糖當燃料,在陰極12mL/s 曝氣速率、陽極6 小時水力停留時間,在500Ω電阻下最大功率密為34.87 mW2/m2,超越參考文獻中最大功率密度。\r 在不同電極種類下,100cm2 碳織布當陽極、10cm×10cm 打洞碳串當陰極使內電阻大幅降低,因此得到最大電壓為0.63V 而最大功率密度提升至79.38 mW2/m2,超越歷屆科展作品的最大電壓0.09936V、最大功率密度1.9745 mW2/m2 ,甚至是參考文獻最大電壓0.416V、最大功率密度32.9 mW2/m2的2 倍產量。

『蔗』麼『C』力-利用甘蔗渣-碳粉吸附重金屬離子

甘蔗渣中含有豐富的木質纖維素,其上的官能基可以吸附重金屬離子,我們在此研究中找到適合甘蔗渣吸附Cu2+的最佳條件。在一次實驗中,我們偶然發現甘蔗渣溶液中的有機物能吸附Cu2+,而碳粉能將有機物吸附,利用這點特性,能大幅提升Cu2+的吸附率。在經過兩道程序的吸附之後,20ppm Cu2+(aq)中Cu2+的吸附率大於99%。

植物向光性的訊息傳導

在參觀美國太空中心時,發現未來太空艙裡要利用燈光代替陽光來種植物,以做為長途太空旅行時的食物來源,而白色光線是由許多不同顏色的光線所組成,因此這個實驗的目的在於瞭解光線的顏色和方向對於植物生長向性的影響;同時也想瞭解造成向光性的生長素,在光誘導下的訊息傳導方式。實驗結果發現,綠豆苗對於藍光有最強的向光性,同時不會造成豆苗徒長。實驗結果也得知生長素由生長點製造後不僅儲存在生長點,並且也儲存於葉柄中;將藍光只造射在豆苗的下半部的莖,而非生長點部位,光線會誘導莖產生傳遞訊息,此訊息會傳遞到含有生長素的生長點和葉柄,生長點和葉柄再分泌生長素,流向照光組織的背光面,造成植物的向光性。因此在太空中的無重力狀態下,可以施予藍光照射植物的莖部,藍光不但可以讓植物有最佳的光合作用效率以正常生長,並且可以利用植物的向藍光性,以誘導植物生長到設計好的方向,以充分利用太空艙有限的空間。

炸開壁癌,攻堅水泥!

白華是生長於混凝土中孔隙的鹽類晶體,但確切影響其生成量及速率的機制仍未可知。為探討及分析不同因素影響晶析與實際上壁癌的晶體結構,我們以混凝土試片浸泡於漆料中常含的有機溶劑中,並測試市面上販售之多種防壁癌之漆料塗抹於混凝土試片上之效果。除此之外,更蒐集現實生活中所產生之壁癌,且針對上述有鹽類晶體生長之試片採集之壁癌進行顯微照相以及成分分析。結果發現,水泥比例造成的裂隙大小、有機溶劑的黏性會影響毛細作用與水泥析出,而防水漆料則能在短時間內抑制水分滲入。顯微照相顯示,在各種鹽類中,硫酸鹽的小顆粒較易析出至表面,是現實生活中的主要成分。我們期望將控制上述有利於白華生長之因素,應用於有效抑止壁癌的生長。

「堆」出生機-落葉變黃金

落葉幾乎是大部分學校都難以處理的問題,馬祖地區除了落葉外,還有酒廠製酒的廢料-高粱酒粕與廚餘,在強調環保的21世紀,如果能將垃圾變成有價值的黃金,是每個人夢寐以求的努力方向,運用科學實驗方法找出製作落葉堆肥的便利方法,讓地球環境更美好。

棋盤上的奇蹟-奇「雞」連連

本次的研究主題是由井字棋延伸而成的桌遊3×3奇雞連連及4×4「棋」蹟連連。我們想要在不同格數棋盤以及不同類型棋子種類的情況下,分析其遊戲邏輯。我們的研究方式是將棋子依照規律,先手放在棋盤上的各種位置,再接著依照當下最好的選擇出棋,我們分析了井字棋、3×3奇「雞」連連及4×4「棋」蹟連連的各種遊戲局面,以及三種遊戲中不同種棋型的比較,並且找出格數與和局關聯的公式。

我的色素不見了─探討活性炭吸附色素的能力

我們利用活性炭加入黑糖溶液,搭配不同的操縱的變因(包括活性炭的顆粒大小、質量、溶液的濃度、溶液的攪拌次數、溶液的溫度)來研究。引以自豪的是我們設計了自製組合光學光度計,用強光照射試管內脫色後的黑糖溶液,藉此測出它們的透光度數據。根據這些數據,分析活性炭脫色後的結果,並將結果以圖表來呈現。結果當取質量相同的活性炭,發現顆粒大的脫色效果比顆粒小的差;使用相同顆粒大小的活性炭時,質量愈大的活性炭脫色的效果比質量小的好;在不同濃度的黑糖溶液中加以相同比例活性炭對脫色影響的實驗中,黑糖的濃度愈大,脫色效果愈差,反之則越好;溶液的溫度愈高,活性炭脫色效果也愈好。此外,令人驚訝的是,攪拌次數愈多,活性炭脫色效果反而比攪拌次數少的還要差;經再分析才知是因劇烈攪拌後使活性炭碎裂成更小的顆粒,通過濾紙的孔隙而影響實驗的結果。

高空蛋跳── google面試的丟雞蛋問題

本作品對於2016年丘成桐中瘸數學獎作品(蛋破魂飛一個Google的雞蛋問題),給出完整解答。該問題尋找「最佳的最糟情況策略」,也就是將最大值最小化(min-max)的最佳策略。我們從特例出發:每d層樓檢測一次著手,證明出兩個定理(定理(壹)、(貳))來解答在這種特殊情況下「最佳的最糟情況策略」的完整公式解。再將這種固定d層樓檢測一次的策略放寬,求得一個巧解Google原題的方法。我們的解法具一般性,定理(參)解答任意總樓層的「最佳的最糟情況策略」(原題限制100層樓),而且刻畫「所有」的「最佳的最糟情況策略」,而不是只得到源解答所提供的其中一組解。本作品主要工具是高斯符號、算幾不等式、除法原理,佐以縝密分析手法,完全解答該問題。

萬花筒-正三角鏡

問題與想法:邊長1的正三角鏡ABC中,光由原點B射到CA上一點P(圖一),再依反射定律繼續反射下去,我們想探討:是否能回到原點B?而若回到原點B,所走路徑及反射次數可找到通式?考慮圖二探討此問題。圖二中的每一頂點都對應△ABC中每一頂點。主要結論:我們算出每一反射點在圖二中的座標得以下結論: (1)CP為有理數時,CP=b/a,(a,b)=1,a,b∈N,導出第一個相交頂點在展開圖的座標為(a-b,b)。再利用展開圖中,同名點構成的直線特徵(如圖三)得:由B射出光時,會返回原點B。並知反射後回到B所需的次數與路徑可由a、b決定,公式如下:若a+b≡0(mod3),次數為2(a-1)次,路徑為B→B 若a+b≡1(mod3),次數為6(a-1)次,路徑為B→C→A→B 若a+b≡2(mod3),次數為6(a-1)次,路徑為B→A→C→B (2)當CP為無理數時,我們得到由B射出的光線不會返回B。且所有無窮多的反射點,在邊上的分布具有稠密性。

苗栗後龍磚場有孔蟲化石與古氣候之研究

苗栗後龍磚場地區屬於頭嵙山層中的一部份,上半部棕灰色砂岩,下半部為灰色泥岩,採樣點皆位於此;有一層薄層深灰色泥夾在下半部泥岩之中,其附近發現的有孔蟲數量較其他採樣點來的多。標本進行採集、處理後,鑑定出21 種有孔蟲化石。經過Mg/Ca 換算,得出溫度;Globigerinoides ruber(簡稱G. ruber)的鎂鈣值範圍介在3.94~5.12mmol/mol;海表溫度介在27.0~29.9 °C 。測出的Globigerinoides sacculifer(簡稱G. sacculifer)則介在3.72~4.77 mmol/mol 之間;30-50m 水深的溫度介在25.6~29.1 °C 。由苗栗後龍磚場地區鎂鈣值測出較高的溫度,顯示有孔蟲結殼時為更新世的暖期。海洋岩芯ORI801-8 G. ruber 得知海表溫度約為29.5 °C ,藉由G. sacculifer 得知較深的30~50m 溫度約為23.6 °C ,此外海洋岩芯多測了次表層水的PulleniatinaObliquiloculata(簡稱P. obliquiloculata)海底溫度約為20.9 °C 。由海洋岩芯ORI801-8 中G. ruber 所測之近1 千年的海表溫度較苗栗後龍磚場地區約1.24~0.46 Ma 為高,G. sacculifer 所測之水深30-50m 溫度較苗栗後龍磚場地區為低。苗栗後龍磚場地區測出的G. ruber 的殼體δ18OC 值範圍介在-2.35~-3.71?。測出的G. sacculifer 的殼體δ18OC 值範圍介在-2.22~-3.21?。藉由G. ruber 和G. sacculifer溫度及δ18Oc 之換算測出的δ18Ow 值範圍約為-1.3~0.2。δ18Ow 與鹽度呈現正相關的趨勢, 因此可以用其殼體來代表鹽度的變化,故可由其δ18Ow 之差異了解鹽度高低的比較。δ18OW 值為負值,代表海水較淡,鹽度較低,造成的原因可能為淡水注入或強降水所致。代表1.24~0.46 Ma 當時此地區有孔蟲結殼時為正常至較低的鹽度。