全國中小學科展

佳作

「漩」機重重

流體旋轉時,外圍及底部流體,因槽壁及槽底摩擦力的影響,流速較慢,相對的壓力也較大,導致外圍的水流會轉入中心,發現本實驗的渦流為強迫與自由漩渦組成。實驗中,探討 f(轉動器的頻率)、H(總水深)、y(?入深度)、R(轉盤半徑)四者與角形數間的關係。若 y、R 愈大、H 越小,隨著 f 的增大,可觀察到的形狀邊數越多;反之,若 y、R 愈小、H 越大,則 f 愈高,所形成的圖形半徑愈大,易超過轉盤,不易觀察。依白努力定律,外層水流的流速較慢,而內層水流的流速較快,故外層壓力大而內層壓力小,水會由外往內流,而此渦動流於轉動液面產生的剪力,可能為產生 N 邊形漩渦的主要原因之一。流體旋轉系統中,因轉動而產生流體離心力與內外層壓力差交互作用下,於某特定相關的因素條件下,形成特定角形數漩渦,是本實驗的重要發現。

暗箱來找「茶」—利用自製暗箱偵測溶液的抗氧化能力

本篇利用改良過的暗箱及裝設光敏電阻,研究哪些變因會影響魯米諾的化學發光亮度。實驗結果顯示,氫氧化鈉、赤血鹽、過氧化氫及魯米諾的濃度,會影響魯米諾的發光亮度。魯米諾在低濃度時,濃度與發光亮度成正比,而抗氧化劑會抑制魯米諾的發光亮度,我們利用此特性做出單寧酸和維生素C濃度與發光亮度的檢量線,進一步判斷紅茶及綠茶在回沖數次後,紅茶及綠茶的茶水內抗氧化劑的相對含量。另外我們發現葡萄糖對魯米諾最大發光亮度有增敏現象,利用此一性質做出葡萄糖與發光亮度的檢量線,希望藉由此實驗開發出檢測人體血糖濃度的方法,作為糖尿病的檢測依據。

發現氧氣的消失

以石墨棒為電極電解水所得的氫氣和氧氣之體積比竟然高達 12:1 甚至更高,此結果與我們在課本的認知上有很大的差異,為此我們設計了本研究,深入研究影響氫氣和氧氣之體積比異常之各因素,包括電極是否受污染、電極種類、電極面積、電解質種類、濃度、電壓等等因素之影響。由這些廣泛的探討與產物性質之檢驗結果,也讓我們了解以石墨棒為電極電解Na2SO4(aq)、H2SO4(aq)為何嚴重偏離氫氣和氧氣之體積比2:1 之原因。此外;由本研究亦意外的發現以石墨棒為電極棒電解NaOH(aq)在低電壓電解(4V 以下) 得接近氫氣和氧氣之體積比2:1 之結果,然而當電壓上升至5V 以上時,電解所得之氫氣和氧氣之體積比急速增加至8:1 以上。 由本研究發現石墨棒中之不完全結晶碳成分在電解水的反應中可在陽極和電解質離子發生副反應,此副反應在Na2SO4(aq)、H2SO4(aq)有較低的啟動電壓(4V 甚至更低即可),而在NaOH(aq)則有較高的啟動電壓(約5V 以上),此外;我們亦由電解之產物分析推得各電解條件下所發生之反應。

弦機妙算

我們利用雷射光測量微小位移的方法,配合太陽能板及電腦,組合成弦振動的量測系統,以 Gold Wave 軟體把訊號展開來分析聲音的頻率、音量、音色。我們驗證了弦振動頻率與弦長成反比,弦越緊、越細則弦振動頻率越高,藉由調整弦長可容易的找出音階。我們發現振幅越大音量越大,在相同力量撥弦下,弦越長、越鬆、越細所撥弦的振幅會越大,音量也就越大。此外,我們研究發現同樣的弦音色會相同,音色是由基音及幾個泛音所組成的。最後,我們利用研究結果,設計了一些光通訊系統裝置。

保護沙灘吧!波浪與淺化的實驗室模擬

本實驗利用喇叭、鉑黑電極、波型產生器、鎖相放大器、及 750 介面卡組合一套系統,此系統可使偵測精密度大幅提升,使得水槽及地表模型尺度變小(40×22×35cm),因此可節省實驗的成本與時間。筆者在坡度實驗中,發現當深度變化較大時,淺化係數都明顯變大很多。對照台灣沿岸發生海嘯的歷史記載,確實在台灣東北角及西南沿岸等相對於鄰近海溝,相對深度變化較大,都發生較明顯的海嘯危害。反之,東岸(相對深度變化較小)其海嘯波高都非常低。坡度實驗中,坡度較小明顯碎波極限較遠(離岸距離 121.12cm),且在沙灘存在的狀況下,碎波極限更遠(離岸距離 164.73cm)。可見沙灘可保護暴潮侵襲海岸,因為波浪提前於外海處碎波使進入岸邊的波浪不具有嚴重的侵蝕作用,不但可減少景觀上的破壞亦能達到相同的效果且不至於岸邊產生嚴重侵蝕的狀況。最後再藉著硬體系統及電腦 2D 動畫模擬的整合,使我們可方便掌握波浪在不同坡度及位置,其波長及波高變化比,如此有助於預估及說明波浪、暴潮及海嘯隨地形變化的狀況。

有鰓乃大-魚鰓構造、表面積計算與鰓蓋運動之觀察

本實驗共解剖31條吳郭魚。魚鰓共有八片鰓瓣,而且鰓區與嘴巴相連通。其中鰓瓣的鰓\r 絲是交換氣體的場所,在顯微鏡下也觀察到鰓絲有血管分布,表面排列眾多突出的鰓小葉,\r 可以增加呼吸的表面積。以平均體重534 公克的吳郭魚來說,八片鰓瓣約含有2516 根鰓絲,\r 每根鰓絲長度平均為1.25 公分,鰓小葉的總數約74 萬個,所構成的魚鰓總表面積可達12 萬\r 平方毫米,相當於A3 紙張大小。魚的鰓蓋運動主要是藉由嘴巴與鰓蓋的交替開閉所產生的\r 壓力變化,造成水往單方向流動,水從嘴巴流入鰓區,然後在鰓區進行氣體交換,接著水從\r 鰓蓋處流出魚體。吳郭魚的鰓蓋運動速率每分鐘平均為66 次,其耗氧速率平均為0.7041(毫\r 克/公斤-小時),其鰓蓋運動速率與耗氧速率會受到溫度、酸鹼度及鹽度的影響而有所差異。

『肚』裡乾坤,不同凡『響』

有一次,我們看到社會老師在彈吉他,一看到吉他有著葫蘆狀的大肚子,我們就想說,為什麼吉他是葫蘆狀呢?難道不能有其他的形狀嗎?因此,我們就想要來研究肚裡有什麼奧秘。透過不同的形狀、體積、厚度、材質、開洞的大小及位置、蜂鳴器力道、骨棒排列方式等實驗中,瞭解這些因素對音箱會有不同的影響力。親手作音箱,了解原來樂器的肚子裡蘊藏許多不為人知的秘密

球有情、風無意,煙消雲不散---觀察風通過物體表面的行徑路線

本研究是探討風遇到表面粗糙度有差異的球體時,行徑路線的變化並分析分離點的位置。 我們經過線香、蚊香、水霧,最後是以加熱低密度的白蠟油來產生煙霧,並利用電腦風扇、吸管及海綿,製作一個富有整流功能的小型風洞。配合雷射光(加上柱狀玻璃管)來觀察油煙遇到圓形(或球形)表面時的行進路徑。 實驗過程所拍攝的影片經截取、切割後,以軟體「Photoimpact 11」標示出分離點,並量出分離角度。經過許多研究後,我們發現:流體通過物體表面時有分離的現象,當風速越快及表面粗糙,流體愈早分離接觸面,分離角度越小。

彈出吧!孢芽-蘚類孢芽生殖之探討

我們在環境較潮濕的郊外崖壁發現了具有孢芽杯的蘚類植物,激發我們深入研究蘚類孢芽生殖的機制,並根據其生長環境,我們設計了改變溼度及坡度的實驗。在溼度不同的環境下,發現潮濕組的地錢其孢芽彈出百分比以及孢芽杯的生長密度均較乾燥組高。因此當環境變的較為乾燥時,蘚類除了行孢芽生殖外,也會生長生殖托以行有性生殖。在孢芽杯內,我們發現孢芽有大小之分,經測量後證實外層孢芽平均大小較內層孢芽大,且潮濕組外層孢芽較乾燥組大。另外在改變坡度的實驗中,我們發現在坡度 75°下的孢芽杯,孢芽彈出百分比最高,因此證實了野外勘察時所測量到的 65°至 80°為最適合蘚類行孢芽生殖的坡度。

金箍棒變身-鐵棒在外加磁場下磁致伸縮及側向調控

本研究利用光學方法中的光槓桿原理測量鐵棒在外加磁場下的工作特性。而本研究分為四大部分: 第一部分是探討鐵棒及不鏽鋼棒的磁滯曲線;第二部份是將鐵棒及不鏽鋼棒通入直/交流磁場並觀察其工作特性;第三部分是進行磁致伸縮應力的測試;第四部分是用強力磁鐵給予鐵棒二維側向磁場並觀察其工作特性。 和壓電晶片相比,磁致伸縮材料能量較大、可接受之頻率範圍較廣,因此成為現今科技中的主要應用對象,未來希望磁致伸縮材料可以運用在聲納、消震器及電鑽上;而運用側向磁場來進行調控的部分,則希望能運用在高精密電子儀器及變壓器的消音上。