全國中小學科展

四等獎

美洲蟑螂可分泌警告物質的證實與相關研究

社會性昆蟲已被證實可產生警告物質(disperation-inducing or alarm substances),對同種其他個體具有警告、驅離的效果。本研究發現美洲蟑螂(Periplaneta americana)雖不屬於真社會性昆蟲,但也可分泌類似作用的警告物質,同時也證明此物質存在於軟便與唾液中,其中以軟便的驅散效果較強,且不同性別間皆具有驅離作用,跨物種間(對蟋蟀)也有作用。若去除反應者的觸角後,警告物質的驅離效果降低,並延長了反應潛伏期,證明觸角是此警告物質的接受器官。我們也利用沾附酒精的濾紙吸附蟑螂所產生的警告物質,也有相同的驅散效果。利用後腿基節屈肌的肌肉電位圖(electromyography, EMG)記錄蟲體對此物質的反應電位,亦顯示受到警告物質的影響,可使步足肌肉放電頻率增加。

Beautiful Butterfly: The Physics Behind The Colors

Even as a child, I was fascinated by the colors in nature, such as rainbows, butterflies and flowers. This fascination developed into curiosity with age, and as my school studies developed, I became particularly interested in the scientific aspects of the origin and development of colors. I wanted to answer the question: How are the different colors of the butterfly wings related to the nanostructures of scales and pigments? The color on the butterfly wings results either from the pigmentation (chemical color) or from the structure (physical color) of the wing scales. Colors such as yellow, black, red and brown are mainly created by pigments. The interaction of light and structures in and on the surface of butterfly wings, often the size of the wavelength of the light, results in physical colors. These colors are usually bright and dependent on the viewing angle (unlike chemical pigments that spread light diffusely). The colors produced here are usually golden, green, purple and blue. But, where do these colors come from and why do certain species dazzle more than others? To get to the heart of the matter, I identified two key questions: • How are the different colors of the butterfly wings related to the nanostructures of scales and to the pigments? • Using the nanostructure, can you find out the wavelength of the reflected light? In this work, I focus on the structural colors of butterflies and study the physics behind them. This includes parachuting in areas such as diffraction gratings, scattering of light, interference in thin films, and multilayer interference. In order to experience the greatest possible diversity, I selected butterflies from different species for the measurements. Using the spectrometer, I measured the light reflected from butterflies. High-resolution microscopes such as the laser microscope and the scanning electron microscope gave me the opportunity to study the detailed nanostructures of the wing. In addition, I was able to analyze and evaluate my results using existing physical models and MATLAB simulations (Maxwell equations).

三角形同向切割線之性質推廣

William Johnston 和Joe Kennedy首先以切割重組的方式提出了任意三角形的面積為第 組同向切割線所得到中央三角形面積的7倍(即 )。本研究將此方法性質加以推廣,我們證明了任意三角形其 ,而在推廣至任意四邊形時,由於公式十分龐大複雜,無法化簡,因此我們退而求其次,證明了任意梯形第 組與第 組同向切割線所切割出的面積與線段比例特性。最後,我們也分析探討任意梯形當 時(即平行四邊形)以及任意正 邊形其第 組同向切割線之性質。

不同形態鈀金奈米觸媒的探討及對直接乙醇燃料電池的應用

本實驗成功在水相以及相對低溫中合成均一度高的鈀金奈米觸媒,並藉由引入不同比例的界面活性劑到合成系統中,來促使不同形態的鈀金奈米觸媒生成。此種奈米觸媒於不同成分比例下可產生相異之催化表現,且具長時間穩定的優點,故為具潛力的燃料電池觸媒。 實驗過程除了探討不同形態的鈀金奈米觸媒的合成外,並進行CO電氧化、乙醇電氧化以及長時間穩定測試。由合成的結果可得知,不同比例的CTAB及CTAC搭配可以得到合金或核殼結構的鈀金奈米觸媒;電催化實驗中,首先藉由CO吸脫附電氧化求得觸媒的活性表面積後,再進行乙醇電氧化測試,進而發現以核殼AuPd為1:1活性表現最佳,較商用Pd觸媒高約4.09倍;長時間穩定測試中AuPd核殼觸媒比商用Pd觸媒有有約16倍的穩定度及容忍力的提升。本研究結果有助進一步利用鈀金觸媒改善純鈀在進行乙醇燃料電池上的應用。

斷尾球「生」~探討羽球羽毛對飛行的影響

我們製作獨特的垂直風洞,透過牙條及滾珠軸承使羽球能在其中自由轉動以利同步取得運動時的阻力、轉速及側向力,並透過空氣壓縮噴射方式探討軌跡差異。實驗數據顯示,羽毛只要經過修剪,阻力多會下降,雖然能飛的更高遠,但也降低了羽球獨有的飛行特性。若修剪外側羽毛,可大幅提升高速下的轉速,但低速時則因受力面積減少導致轉速下降且發現透過側羽的小修剪可同時提升飛行能力以及飛行特性,提升練習級羽球的價值;但羽尾若破壞程度太大,如:剪成平頭狀,飛行距離雖明顯提升,但轉動能力下降,甚至低速時無法轉動。最後,斷翅的實驗出現了一個有趣的結果:透過斷去第二根羽毛達到對稱的缺口,可挽救失控的側向力,提升破損羽球的練習價值。

利用全球定位系統觀測電離層海嘯現象

2011年3月11日,日本發生規模9.0的地震,同時引發海嘯。太空科學家發現海嘯會引起電離層中總電子含量TEC(Total Electron Content)的擾動。雖然海嘯引起之電離層TEC變化以及海嘯模擬結果已被公布,但兩者之關係尚未被探討。因此,我們比對海嘯模擬與當天電離層TEC變化,確認此電離層TEC擾動是由海嘯所引起的。我們進一步研究電離層TEC的擾動大小和海嘯高度的關係,發現兩者之間具有極高之相關性,且到達的時間差約為±10分鐘,而1公尺高的海嘯約會造成12.8TECu(即TEC之單位,1TECu=1016el/m2)之總電子含量變化。希望將來能利用地面GPS觀測到的電離層TEC資料,在地震後迅速確認海嘯之發生與否,並於到達岸邊前訂定其位置,同時推估高度。藉此,建立海嘯預警輔助系統,以降低海嘯對人類生命和財產的威脅與損害。

阿拉伯芥茉莉酸結合酶FIN219參與生物韻律變化之研究

生物韻律與植物許多生長過程息息相關,其機制是生物學中重要的研究主題。FIN219能夠活化茉莉酸,進而引發植物對於逆境的防禦能力,也參與了藍光的訊息傳遞鏈,與植物的開花有關聯,其表現在長日照環境下也具有以24小時為週期的變化,因此很有可能參與了生物韻律的調控。本研究以GUS染色、西方墨點法與RT-PCR進行實驗,發現阿拉伯芥的FIN219基因與其蛋白質進入照光期後表現量會增加,進入黑暗期則會減少,此生物韻律也會受到外加JA與JA合成抑制劑DIECA的影響。再以RT-PCR比較生物韻律相關基因在野生種與剔除FIN219基因的突變株中的表現,也發現FIN219基因沒有表現時,相關基因TIC、TOC1、CAB2、CAB3、RBCS-1A和JAZ1表現的生物韻律會減弱。因此可知FIN219不但能夠增進植物的防禦能力,其引發的訊息傳遞也參與了生物韻律的調控機制。

水電交融

本實驗為將高電壓的靜電通入流動的水中,發現下端水柱產生雷利不穩定性,以及在特定條件下發生甩動。水柱被截斷成水滴後,因電場作用而散開,造成視覺上一錐形的區域。 本實驗探討(1)水柱長的變化 (2)水滴個數的體積個數密度 (3)直徑分布隨著錐形區域位置的變化 (4)水滴帶電量與體積關係。 尺度及各變因為:水流量0.4~2.0cm3/s,電壓0~30kV,電流0μA~12μA,不同導電度和表面張力的液體。實驗結果: (1)水柱長隨電流成指數衰減,並提出h=Ae-bI+kQ之經驗公式 (2)水滴分布範圍隨電流與流量增大分別增大與減小 (3)錐形區域越外圍水滴越小 (4)使用的蒸餾水水滴帶電量與體積之2/3次方成正比

攜手共解圓-扭結理論之探討

此篇研究發現在任何一個結中,都可以利用「牽手順序」和「交錯點編碼」兩種結的資訊直接看出一結化簡後的圖形。利用從「Reidemeister moves」所衍伸出的四種化簡方法{α, β, γ, δ}能更有效率的簡化結,並證明只需{α, β, γ, δ}就可化簡任何結,也利用{α, β, γ, δ}來驗證HOMFLY多項式是結不變量。由圖形及結的資訊我們發現,可使用「牽手順序」和「交錯點編碼」,搭配所討論出{α, β, γ, δ}的通式,依照步驟及通式簡化任何結。 本篇最重要的成果為:只需利用{α, β, γ, δ}即可化簡所有的結,而且比Reidemeister moves更有效率,因此可用{α, β, γ, δ}取代Reidemeister moves。 不管是一個封閉曲線或是兩個以上封閉曲線,都會遵守前述的規則,可利用{α, β, γ, δ}簡化圖形。文中也討論了較特別並具有規律的結──「星星結」,發現星星結只需使用「牽手順序」即可簡化,最後利用星星結的結論,發展出牽手遊戲中特殊的牽手遊戲情形。

利用星團內短週期變星性質與星團運動狀態對疏散星團的性質探討——以英仙座雙星團為例

本研究主要目的在於利用現有的天文資料庫搜集星團成員星,並探討疏散星團中短週期變星的類型與空間分佈,以及星團在銀河系中的運動狀態,希望能對疏散星團的演化有更進一步的瞭解。英仙座雙星團在天空中的投影很靠近,以往文獻認為此雙星團可能相互影響,因此我以此天體當研究目標。除了線上天文資料庫檢索結果可以用來分析星團成員及基本物理參數,我還利用青藏天文台來取得觀測資料以填補研究中變星數據的不足。利用2MASS測光數據及蓋亞巡天自行數據,此雙星團我挑選出共約80個成員星,另外我分析了51顆變星,其中有17顆星是經由本次觀測得到的新週期。根據該天體的自行與徑向速度,其運動狀態是以一快一慢的速度朝向銀心運動,並皆以銀心為中心相同方向旋轉,且在垂直銀盤方向同時向下遠離銀盤。