全國中小學科展

佳作

過橋問題

過橋問題是近代討論的一個數學問題,最早出現在1981年的益智遊戲書(參考資料一),它引起一些數學家的興趣,但他們的研究主要是2人同時過橋的部分,對於3人及多人同時過橋的研究,討論的比較少,故我希望從數學的角度入手,探討一次3人、4人過橋問題提出數學模式和最佳過橋方法。

化「生氣」為「力氣」!

在六上自然課「氧與二氧化碳」這個單元,課本教我們做的二氧化碳滅火器,會因漏氣導致壓力不足,噴不出氣體來滅火,所以我們想要研發出一個成功的替代品,讓老師和小朋友在課堂上有更好用的教具。在研究中,我們先決定產生二氧化碳的材料,最後選擇以優點最多的醋去和小蘇打粉混合;然後用600c.c.的可樂瓶設計出一個簡易型滅火器,發現在600c.c.的尺寸下,只需要4c.c.的醋和0.39公克的小蘇打粉,就能把燭火熄滅;並且研究出上述瓶子大小和材料量的關係等比例縮放後,也都可以成功地滅火;而在研究過程中,更發現瓶子的氣密性是實驗能不能成功的關鍵;最後在不斷的研究和改良下,終於研發出兩型操作簡便又可重複使用的二氧化碳滅火器教具。

福壽螺,來杯咖啡吧!

本實驗主要是在了解咖啡因對福壽螺的影響。我們將1.5± 0.5 g 的福壽螺浸泡於不同濃度的咖啡因溶液,連續6 天觀察其活動力及存活率,並利用數學線性回歸的方式計算出咖啡因對福壽螺48 小時的半致死濃度(LC50(48))為0.52%。接著以0.52% 的咖啡因溶液測試1 . 3 ±0 . 5g、2 .5 ±0. 5g、3. 5 ±0 .5 g 的福壽螺4 8 小時的死亡率為90%、70%、52%,將1.3±0.5g 的福壽螺浸泡於0.5% 的咖啡因溶液,以溫度為變因,實驗發現福壽螺的死亡率會隨著溫度升高。另外將1.3 ±0.5g 的福壽螺以重量配對並標記後, 接受0.01%及0.005%咖啡因溶液對食慾影響的試驗,得知咖啡因確實可降低其食慾。進一步將剛孵化的初生螺置於0.01%咖啡因溶液中,則可發現咖啡因具抑制初生螺成長速率的效果。最後我們以3 0 g 的市售咖啡粉加蒸餾水配製成6 0 0 m l 的咖啡溶液, 將福壽螺浸泡於其中4 8 小時後, 便能使福壽螺的死亡率達到5 0%以上, 其致死效果約與LC50(48)相當。根據以上的實驗結果,我們認為咖啡因對福壽螺之生理上及存活率上有明顯的影響,且若以市售咖啡飲料配製成足量濃度取代純化咖啡因,也有使福壽螺半數致死的效用,因此將咖啡因應用在福壽螺的防治上是具有發展的可能性的。

螞蟻也討厭塞車?~探討螞蟻覓食的交通量分佈情形

我們在2004 年7 月號的牛頓雜誌裡,偶然看到螞蟻會分配牠們的交通量這個訊息,但卻沒有多加說明,於是我們決定深入研究。我們設計了較簡單但不影響實驗結果的裝置,在公園蟻窩旁及室內各選定一個放置位置,並確認三種不同種類的螞蟻後便開始進行觀察。我們先選擇了三個地點來觀察螞蟻的生態,再著手設計了適當的實驗,開始進行研究。實驗內容包括:探討吸管(通道)顏色、粗細、易達性對螞蟻覓食交通量分布的影響。持續兩個月的研究,每天定時到三個地方統計及記錄,發現螞蟻會大略遵循著一定的規則分配交通量,例如在一條通道過於擁擠時,螞蟻會大略平均分布在兩條通道中;另一方面,螞蟻會較集中於易達的路徑等。而我們也發現此次的實驗設計,很適合當「捕蟻器」來使用,這可再深入研究。

鈦神奇-二氧化鈦光觸媒的製備及應用

水污染是大家關心的議題,而光觸媒處理法是可同時處理水中重金屬離子及有機物的可行方法。根據文獻指出,光觸媒二氧化鈦接受紫外光的照射,產生電洞及電子;電洞在水中會產生活性氫氧自由基(OH‧),電子則產生超氧離子(O2-),便能夠分解有機物。另外,電子也可以還原重金屬離子。可是二氧化鈦會因為密度大於1而沉於水中,無法分解浮於水面的污染物。所以我們找尋適當方法,就是玻璃球與金屬鈦基底,使整體物質密度低於水。玻璃球提供載體可以回收,不沉入水中也不會擋到陽光;而金屬鈦則可讓二氧化鈦奈米管堅固地鍵結於其上,並非只是以塗佈方式沾附在物體上。另外金屬鈦也可保護玻璃球不因運送過程中堆疊、碰撞而破裂。

藻生貴脂-以竹嵌紋病毒或其衛星核酸載體建立綠藻之高效率轉殖系統

綠藻(Chlorellasp.strainDT)為含有大量油脂的球型單胞藻,容易大量培養,目前研究証明以電穿孔法能獲得最佳化的轉殖效率。而竹嵌紋病毒(Bamboomosaicvirus,BaMV)已成功發展為表現外源蛋白的載體,其衛星核酸(satelliteRNA)的載體系統則仍在發展階段。本實驗目的有二,第一為比較BaMV及衛星核酸(satBaMV)載體,以建立較高效率的轉殖系統。第二為延伸應用生物課程中所提到的基因轉殖技術。實驗中利用電穿孔法將質體轉入綠藻中,比較篩選抗藥性細胞數、計算轉殖成功率。經PCR檢測後發現以satBaMV為載體的轉殖成功率較高。未來如能成功建立完整的衛星核酸載體轉殖系統,可將特定基因以此系統轉殖入綠藻以增加綠藻產油量,正式成為新興生質能源,以因應能源危機。

你濃我濃,到底要多濃?─—電解1A族、2A族金屬氯化物水溶液之性質探討

本研究以探討電解1A族、2A族金屬氯化物(研究對象為NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2)水溶液反應性之研究,並配合高中化學所學的知識、實驗方法,運用簡易的實驗室器材搭配生活周邊可取得的材料,設計簡單、體積小的電解裝置,並可利用理想氣體方程式及氧化還原滴定的方法確定陽極產物O2(g)及Cl2(g)的莫耳數。 研究結果發現,高中教學所言之「電解高濃度食鹽水產生氯氣,電解低濃度食鹽水產生氧氣」應有修正,並擴大討論1A族及2A族金屬氯化物的電解反應,發現化學反應並非僅有「濃或稀」的分界,而是在不同的條件,譬如電解液種類、濃度、外加電壓的改變,化學反應會有動力學或熱力學的競爭,使得產物O2(g)及Cl2(g)的莫耳數比例也互有消長,得到有趣的實驗結果。

康樂山的人面蜘蛛及橫帶人面蜘蛛

作品主角是「人面蜘蛛及橫帶人面蜘蛛」,地點是在「台北市內湖區的康樂山」,時間是在「92年10月到93年5月」間所做的觀察與實驗,內容分為三個部分。第一部分是康樂山步道的蜘蛛生長情況,我完成了康樂山步道地形環境的分區(5大區18小區)、每個月的蜘蛛出現數量及地點、各區分布密度、分析與地形環境的關係,以及季節與人面蜘蛛及橫帶人面蜘蛛的消長變化關係。第二部分是蜘蛛網絲的實驗,我完成了蜘蛛網會黏部位的測試、黏力大小的實驗、黏力的推算、單絲吊重能力的測試、吊重能力的推算、延展及收縮能力的實驗、蜘蛛絲遇水前後的特性變化結果。第三部分是飼養及實地觀察所作的蜘蛛行為記錄,特別是對不同獵物的補食方法、結不結網的補食能力、捕捉活蜘蛛的方法等;這一部份主要是用照片及影片來說明。

吃我一顆水球-探討無瓶水製造方式和性質檢測

網路多種製作無瓶水方法,經操作發現不是每種方法可製作出內裝水球。所以我們研究找出海藻酸鈉水溶液與含鈣水溶液濃度組合及各項檢測。歸納出:1.海藻酸鈉水溶液應選擇0.5%~2%濃度;2.含鈣水溶液:氯化鈣水溶液濃度至少1%、乳酸鈣水溶液濃度至少要2%較易製作出水球膜;3.保存應浸泡於純水並置冰箱冷藏,連續200小時紀錄無瓶水的流失率可降至19%以下;4.物理測試發現1%海藻酸鈉水溶液所製造出的無瓶水球在耐壓、拉力及自由落體表現均好;5.化學測試無瓶水質都符合臺灣自來水公司「飲用水水質標準」之相關檢驗標準。 當飲完無瓶水後,水球膜在自然環境下日漸分解不占空間也不汙染環境。希望無瓶水的研討能喚起環保概念,減少塑膠瓶使用。

蝦殼哇哇挖-幾丁聚醣薄膜之研究

以蝦殼為原料,清洗、晾乾,經鹽酸去除碳酸鈣、氫氧化鈉去除蛋白質後磨碎得幾丁質,再經去乙醯化後得幾丁聚醣。醋酸和水依照5種不同比例的溶液倒入模具晾乾成幾丁聚醣薄膜A、B、C、D、E,與市售保鮮膜包覆吐司和蘋果做比較。幾丁聚醣薄膜能透氣但無法保留水分,保鮮吐司的狀況良好,蘋果反之。配置培養基,以幾丁聚醣薄膜和市售保鮮膜覆蓋,觀察細菌滋生狀況,發現幾丁聚醣薄膜B的菌絡數較少,其餘與市售保鮮膜無太大差異,自製幾丁聚醣薄膜在此方面可取代市售保鮮膜。將幾丁聚醣膜包覆在裝水的杯口後以高溫蒸煮,發現它完好如初,僅顏色稍有變化,變軟、富有彈性且不易破裂,幾丁聚醣薄膜能在蒸煮食物時取代市售保鮮膜避免塑化劑的危害。