全國中小學科展

佳作

滴水發電-應用開爾文靜電裝置過濾懸浮微粒

我們探討開爾文靜電裝置對懸浮微粒之過濾效果,主要結果有三,一、使用靜電電位計量測發現,開爾文裝置的支架採用中空塑膠管可有效絕緣,感應環使用長、直徑小的鋁箔圓環,控制流出水柱為細、長形狀,會有較佳靜電效果。二、使用微粒濃度感測器與乒乓球的漂浮實驗顯示,孔隙大的濾網,過濾差卻較透氣,若在氣流帶動下導入靜電,則有較佳的集塵效果。三、應用簡單材料組裝的開爾文裝置,經實際測試,可利用收集雨水長時間產生正、負靜電壓高達10~14kv,在封閉空間集塵或燃燒線香、金紙、木炭的懸浮微粒過濾上,具有良好過濾效果,尤其木炭有超過88%以上的整體過濾效果。

「泉」讓你知道--礁溪溫泉之探討

本研究經由調查活動,了解礁溪溫泉區之地層構造是由四稜砂岩所組成,四稜砂岩經地層變動擠壓,除了形成傾角多數為60度到80度的節理之外,也形成數條斷層。再透過實驗設計操作得知,節理越多且角度越大的四稜砂岩,其導水性越好。因此,地底的原始溫泉就順著四稜砂岩的節理和斷層湧出沖積扇,形成平地溫泉。再經由得子口溪的野外調查活動中發現,得子口溪的中、下游,因地底有砂石、泥等沉積物,溪水會從地表沉積物下滲到地底,造成溪床乾涸。結合礁溪溫泉和得子口溪地質調查及實驗設計操作的結果,本研究設置了「礁溪溫泉」模擬裝置以實驗探討之並依實驗結果推測礁溪溫泉區的溫泉泉溫變化情形。

紅得發紫---以簡易光譜儀分析紅龍果肉之甜菜紅素特性

外觀呈紫紅色的甜菜紅素,富含於紅龍果肉內,以冷凍、過濾與離心的步驟取得。同時由鎢絲燈泡、科學maker的分光器、手機與電腦軟體Image J、Excel 2016組成簡易光譜儀。簡易光譜儀可測量甜菜紅素最大吸收峰波長λmax=538nm與繪出吸收光譜圖。吸收光譜圖的吸光度A值,可得知甜菜紅素在紅龍果肉的含量。甜菜紅素在pH值3~9最穩定、在氫氧化鈉溶液pH值>10環境、乙醇為溶劑、芬頓試劑與硝酸鐵溶液時,會降解成黃色的甜菜醛胺酸λmax=420~450nm和無色的環多巴。甜菜紅素可與Cu2+、Fe2+、Pb2+、Co2+、Ni2+、Zn2+螯合配位成錯合物,外觀呈現紫色、紫紅色、粉紅色、橘紅色、黃色、橘色,λmax會往短波長移動。再加入EDTA後,又恢復成甜菜紅素。發現Cu2+與甜菜紅素的螯合配位最好,可以偵測Cu2+至1ppm。

行星凌日的黑滴效應探討

本實驗的目的在探討凌日時的黑滴效應。實驗以投影機在螢幕上投射出亮區模擬太陽,以保麗龍球模擬內行星橫越太陽表面,以相機作為觀測記錄器材,結果發現在內行星與太陽的第二及第三次接觸時會有黑滴現象。黑滴效應在光源顏色越接近紅色、拍攝相機的光圈值越小越明顯、相機對焦比實際值越小越明顯;光源的明亮度對黑滴效應沒有顯著影響。金星大氣、地球大氣不是造成黑滴現象的主因,而影響黑滴效應的因素與光的繞射相同。實驗結果發現,黑滴效應的成因主要發生在觀測的器材上。

站在Escher的肩膀上──平面及空間中的密鋪圖形設計

本研究以荷蘭籍的藝術家M.C. Escher繪製的密鋪圖樣作為出發點,接著研究以正三角形、正方形和正六邊形為基本單位的磁磚設計方法。首先利用4種等量變換(Isometry)推論出三種基本形狀分別有4、5、7種邊作用方式,再利用「群」(Group)表示邊作用,進一步窮舉出可密鋪的設計方法分別為3、10、4種。配合上述理論,找出一套演算法判定磁磚之密鋪性以及密鋪類型。再者,探討將邊封閉而形成有限平面的「窗框」系列磁磚密鋪的特性;接著延伸到有限曲面上,如:環面、圓柱曲面及著名的莫比紙圈,並找出製圖方法;再拓展到空間中,對正多面體,以及利用正立方體為單位,進行立體的密鋪;再透過程式構築一個更為簡易的分析平台。利用上述的結論,學習者可以輕鬆製作新圖樣。

另類接觸─夜探校園「無鱗尖鼻蛛」

本研究在夜間的校園環境中,以七個月的時間進行夜行性蜘蛛的觀察和記錄,並經由溫度測量、長度計算與實地觀察等方式,配合自然與生活科技領域康軒版本第八冊第三單元─「昆蟲家族」和第十二冊第三單元「生物與環境」,透過帶領式觀察,了解蜘蛛並不是昆蟲外,並實地觀測記錄校園夜行性蜘蛛─無鱗尖鼻蛛的生態習性以及特殊個體差異與環境之間的互動關係,得到以下結論:一、夜行性蜘蛛對於所選定的棲息地有相當程度的穩定性,尤其是居留型結網蜘蛛有明顯的領域行為與棲地結網再利用的特性。二、雌蛛有短期的護卵行為,如果受到干擾則有可能會棄卵,所以在觀察的時候應該要避免過度的人為干擾。三、無鱗尖鼻蛛背部不同的形態變異,可分為斷枝型、樹瘤型和核果型。這和其所棲息的微棲地環境有直接的關聯性。四、無鱗尖鼻蛛會受到季節與溫度的變化影響族群數量,老熟的個體容易在冬天死亡,而幼蛛在春季時活動頻繁,數量也較多。五、蜘蛛是一種生態行為相當有趣的生物,可是卻一直背負了人們負面的觀感,我們在親近蜘蛛之後,發現牠其實是種可愛的生物,值得我們去愛護。

表面張力的實作和探討

從小朋友愛吹肥皂水溶液泡泡來比賽誰吹的泡泡大,誰吹的泡泡久。其實吹出的泡泡是因為肥皂水的表面張力大小,使泡泡有大有小。除了吹泡泡可以比較液體的表面張力外,利用鋁環來拉高液體泡泡的高度,也是比較表面張力的方式,在研究中我做到了,很精準。 利用滴管吸取水溶液,在滴到1mL的量筒中,比比看,哪一種水溶液滴滿1mL量筒的滴數最多,滴數越多液體,表面張力越小。利用試管測量水滿時,再滴入水凸出的液高,也可以表現出表面張力,液面高度越大,表面張力越大,這種方法容易造成誤差。 我們利用連通管原理來測試試管或滴管的液高,比較表面張力的大小,再利用紅點瞄準鏡和實體顯微鏡來觀測就更準確了。

三角形與四邊形的切割與變換

本研究首先從「給定三角形,由兩頂點分別連接直線至對邊,將這三角形分割為四塊,要怎樣分割才能使越多塊面積相等呢?」的問題開始,發現解決這問題的方法可應用於解決「任意三角形,三邊分別三等分,將三頂點對應連接其對邊的等分點,則中間形成的三角形面積為原三角形面積的多少?」。發現這問題中間的三角形和原三角形有一種特殊關係(中間三角形的三邊固定方向延長兩倍,其端點剛好是原三角形的三頂點),我將這種關係擴展為本研究的主題:「給定三角形,沿著這三角形的三邊(固定方向)分別延長或縮短某倍數,形成的新三角形和原三角形有怎樣的面積關係?」、「給定四邊形,沿著這四邊形的四邊(固定方向)分別延長或縮短某倍數,形成的新四邊形和原四邊形有怎樣的面積關係?」發現三角形和四邊形推出的結果共有一些相似的性質。但一般情況下,四邊形並不能像三角形可推出一般公式。例如縮小倍數和對稱的縮小倍數,在三角形時,所得到的兩三角形面積相等;在四邊形時,只有在平行四邊形才能成立。最後研究古埃及人的任意四邊形面積公式的正確性與真正面積的關係,並推導出四邊形的面積公式與其性質。

丟球

本研究係觀察球在樓梯間滾動的方式,尋求丟球的一般式。並利用「下樓梯的第一步」,解釋丟球具有「費式數列」的現象。筆者,並利用「下樓梯的第一步」及表格分析探討「費式數列」,並對於「費式數列奇偶性」提出分析。

搏扶搖而直上--鞦韆之謎

要怎樣才可以使盪鞦韆越盪越高?本研究將單擺在擺盪過程以拉、放線的方式模擬人在盪鞦韆時重心的改變,發現在最低點時拉線將重心提高,最高點時放線讓重心放低,單擺可以越盪越高。分別測量在固定角度變化下:(1)不同擺長 (2)不同拉線長度 (3)不同初始角度。結果發現:(1)擺長越長,所需拉放線次數越多 (2)拉線長度越長,所需拉放線次數減少 (3)初始角度越大,所需拉放線次數越少。實驗裝置原以齒輪變速進行拉放線,因不夠精確,改採以馬達帶動長桿進行拉放線。同時用C++語言算出每次擺盪的角度,求出15°上升至30°所需的次數與實驗極為接近。最後將理論搭配實驗數值,以程式寫出盪鞦韆動畫,可清楚呈現正確的盪鞦韆方式。