全國中小學科展

臺灣

n x n 方格表中的計數問題

對4 × 4 方格表中計數問題的二個解題方法(1..解方程式的方法, 2.分割圖形的方法)作分析和研究後,首先我推廣分割圖形的方法來証明 : “好的n × n 方格表” 存在若且惟若n 為偶數。同時証明這種“好的n × n 方格表”內所有n2 個數的總和f(n) 為n(n+2)/4。當討論一般的n×m 方格表時,發現分割圖形的方法盲點,無法繼續推廣來証明。再經過深入分析與推廣解方程式的方法,藉由n×m 變數方格表,我們終於找到構造所有“好的n × m方格表”的方法。同時計算“好的n × m 方格表” (n≦m)內所有mn 個數的總和f(n,m), n≦7和証明好的nxm 方格表會有2(n+1)行一個循環的現象。We first studied two solution methods (1.solving equations,2.dissecting diagrams.) for calculations on 4x4 checkboard. Using the method of dissecting diagrams, we proved that``good nxn checkboard'' exists if and only if n is even. Furthermore, the sum f(n) of those n2 numbers in a ``good'' nxn checkboard is equal to n(n+2)/4.In studying the more general nx m checkboards, we found that the method of dissecting diagrams does not work, However, by extending the method of solving equations, and by considering nx m variable checkboards, we obtained a way of obtaining all ``good nxm checkboards.'' By way of computing the sum f(n,m) (n≦7) of those mn numbers in a ``good nxm checkboards,'' periodicity in every 2(n+1) rows is observed.

聚丙烯酸應用於Fenton淨水法

利用鐵離子(Fe3+)催化過氧化氫(H2O2)產生高活性自由基,並利用自由基降解汙染物的方法稱為Fenton法,然而傳統Fenton法中的鐵離子為液相催化劑,會隨降解後的汙水排放,環保署公告的廢水放流標準規定鐵離子濃度必須小於10 ppm ,為了符合標準,廢水必須加入凝集劑排除鐵離子,造成大量氫氧化鐵汙泥,造成氫氧化鐵汙泥的二度公害,且不符合綠色化學中充分利用原料及將耗損降低的主張。因上述缺點,本研究將傳統Fenton法中的液相催化劑,改利用聚丙烯酸(PPA)錯合鐵離子形成的固相催化劑,改善鐵離子會隨降解後汙水排放的缺點。實驗發現固相的鐵離子催化劑降解速率較液相鐵離子催化劑慢,但在降解後的汙水中,固相催化劑降解的汙水驗出微量鐵離子,較傳統Fenton法鐵離子會隨降解後汙水排放的現象,減少大量鐵離子耗損。

「蓮」「環」密碼--環境因子對蓮花效應的影響

蓮花效應是指蓮葉表面具有奈米纖毛結構,因此只要葉面稍微傾斜,水珠就會滾離葉面,在我們生活週遭,許多植物具有蓮花效應。本實驗選擇彩葉山漆莖作為研究材料,因為我們發現在同一植株上,嫩葉的蓮花效應最佳,而老葉幾乎無蓮花效應。當彩葉山漆莖的新葉轉為老葉,蓮花效應會減弱,甚至消失。我們以不同水量、土壤酸鹼值及光照作為變因,來探討蓮花效應改變的原因,結果發現水量並非主要影響蓮花效應改變的變因;土壤過酸或過鹼,會減弱新葉及嫩葉的蓮花效應;置於暗室則使整株彩葉山漆莖所有葉面皆無蓮花效應。許多植物的性狀,在老化或面臨環境改變時,會將控制性狀的基因開啟或關閉。因此,我們推論,當環境因子改變時,植物的蓮花效應可能是經由基因層次的調控,藉以增強或減弱此性狀的表現。如果不是基因的開啟或關閉,則有可能僅是葉表面的結構發生些微的改變,真正詳細的機制仍有待進一步的確認。;We choose Breynia nivosa (Bull ex W. G. Smith) Small as a model plant to study the lotus effect on the leaves for the reason that on the same chosen plant the new-born leaves have the best lotus effect while the elder ones have little lotus effect. When the new leaves turns into elder ones, the lotus effect also turns weaker or even vanishes. To explore the exact mechanisms, we take water quantity、soil pH、and light density as the experimental factors. The results show that water quantity cannot affect the lotus effect on all leaves, change in soil pH can decrease the lotus effect on the new and new-born leaves, and dark treatments can eliminate the lotus effect on all leaves. When the environments change, the phenotypes of plants could also be changed to adapt to the new conditions by turning on or off genes. Therefore, we suggest that the lotus effect on the leaves is also controlled by genes to increase or decrease its phentype so as to adapt to the changing environments. If not, it may simply be a little change of the surface structure of the leaves. The detailed mechanism remains to be confirmed further.

IF鋼在不同酸液中腐蝕行為之探討

IF鋼在鹽酸溶液中之腐蝕速度隨鹽酸濃度之增加而增加。12M之硝酸溶液對IF鋼具最強腐蝕性,而最低(0.1M)及最高(16M)濃度之硝酸溶液對IF鋼之腐蝕性則相對較弱。硫酸對IF鋼之腐蝕速度則由低濃度至高濃度呈現極大變化,當硫酸濃度由0.1M漸增至3M時腐蝕速度亦隨之增加,爾後腐蝕速率減小,至硫酸濃度由8M時反而呈現極大之重量增加。由於表面腐蝕層不適於XRD分析,故由EDS結合FTIR分析得知H?SO?/8M-24hrs.情況下試片表面之腐蝕層為Fe?O?。由SEM觀察發現腐蝕速率較大之條件,如HCI/12M-1min.及HNO?/12M-1min.處理過後,試片表面甚至出現具晶體對稱性之蝕恐。由本研究之初步成果發現:是溫下可以利用中等濃度(如8M)之硫酸液來處理鋼鐵,使之表面生成一緻密之氧化鐵(Fe?O?),達到防蝕之效果。IF (interstitials free) steel was processed in various aqueous acid solutions to observe the corrosion behavior. The corrosion rate of IF steel in HCI(aq) increases with the concentration of HCI(aq). HNO?(aq) with concentration of 12M was observed to be the most aggressive for IF steel. The corrosion rate of IF steel in H?SO? solution increases from 0.1M to 3M and then decreases gradually with the concentration. A large amount of weight gain even observed when the concentration was 8M. The protective layer produced during H?SO?/8M-24hurs. treatment was analyzed to be Fe?O? by using SEM (Scanning Electron Microscope), EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) and FTIR (Fourier Transform infrared). Etch pits with crystallographic symmetry were observed on the specimens treated with conditions HCI/12M-imin. and HNO?/12M-1min. Processing condition H?SO?/8M-24hrs. could be employed in corrosion prevention for IF steel under ambient environment.

你在看哪裡--蝌蚪眼睛位置及其視野之研究

陸域草食性動物的眼居於頭兩側,有較寬的單眼視野以便於逃避攻擊;而肉食性動物的眼居於頭前方,立體視覺較佳,有較好的距離感以捕捉獵物。我們利用Geogebra軟體分析台灣33種蝌蚪頭部影像資料,定位出每種蝌蚪眼睛的相對位置,並以數學幾何方式描繪眼睛的視野範圍。 我們發現蝌蚪眼睛位置可依兩眼距離分為“側位”(23%)、“背側位”(67%)及“背位”(10%) 三種型態。側位兩眼距較大,背位兩眼距較小。蝌蚪眼睛視野則可分為“前視型”(42%)及“側視型”(58%) 二種型態,前視型雙眼視覺區較大,側視型視野範圍較廣。我們將眼睛位置與視野範圍的數據與蝌蚪的棲息環境、食性種類及演化分類等進行相關分析,結果發現:1.眼睛位置與棲息環境有相關,棲息越接近水面,為「側位」;棲息越接近水底或是密閉空間,為「背位」。2.視野範圍與食性種類有相關, 肉食性蝌蚪雙眼視覺角度較大,濾食性整體視野較廣。3.眼睛型態與物種演化關係大部分相符合,同一屬且生態棲位相似者,蝌蚪眼睛型態會相似,如台灣狹口蛙科Microhyla屬4種蝌蚪都是側位型;樹蛙科Kurixalus屬的3種蝌蚪都是背位型;但有些例外,如面天樹蛙眼位與同屬艾氏樹蛙不同,可能與生態棲位不同,而演化成不同的眼位有關。

漩渦也有形

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。依白努利方程式,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。When fluids are in rotation, fictitious force given by the container brings about the relative decrease of speed of the bottom and outer layer of water, which causes its pressure to increase, and water to spin inward, resulting in a vortex motion with N-corner polygons formed at the surface of the rotating plate. During this experiment, we discover that the vortices consisted of free and forced vortex and the polygons vary as control parameters f(rotation frequency), H(height of fluid), y(depth of the plate), and R(radius of the plate) change. The larger y and R are,the smaller H is, the more corners show up as f increases. On the contrary, the smaller y and R are,the larger H is, few polygons are identified since the rotating radius of polygons are larger than the plate. According to Bernoulli’s principle, smaller velocity of the outer-layer water causes water pressure to increase and water to spin inward. During this process, shear force is developed at the surface of the rotating fluid, which we believe is the main cause of N-corner polygons. In a rotating system, the interaction of centrifugal force and differential pressure causing a certain Ncorner polygon to be formed under different controlled parameters is our main discovery.

『凍』人心『鹹』,『黃』金Style~以冷凍凝膠法創作速成鹹蛋黃之新『蛋』生

蛋黃酥所使用鹹蛋黃來自於鴨蛋鹽漬而成,取出鹹蛋黃剩餘之蛋白因鹽度高,無法再利用只能拋棄相當不環保,本實驗利用將蛋冷凍再解凍以分離出蛋白及蛋黃,蛋白可加工再利用,凝膠蛋黃則可鹽漬成鹹蛋黃。結果發現蛋黃在-18℃冷凍3天可完全凝膠,以30%食鹽水鹽漬40-60分鐘,其鹽度已與市售鹹蛋黃相當。在喜好性感官品評發現,鹹味、口感及整體喜好性均與傳統鹹蛋黃相似。解凍蛋白製成蛋糕在喜好性感官品評發現,色澤及口感評分最高優於新鮮蛋白,在香味及整體喜好性則與新鮮蛋白無差異。速成鹹蛋黃僅須1/10生產時間且蛋白可回收再利用並減少鹹蛋白廢棄物。

台灣的黯化現象與形成因素探討

本研究在探討台灣的黯化現象與形成因素,黯化現象為太陽輻射量到達地表的減少現象。我們藉由比較西元1961~ 2008年間,台北、台中、台南、大武、蘭嶼、花蓮六個測站的各項氣象因子進行分析處理並探討其變化情形與成因。 \r 研究結果顯示,台灣地區的都市測站(台北、台中、台南)日照時數、日照率、全天空輻射量均呈現先下降後上升的趨勢,顯示1961至2000年間確實存在黯化現象,而在鄉村測站(大武、蘭嶼)則有微幅改變但較不顯著。並藉由可能影響黯化現象各氣象因子的比對,發現最高溫的增加幅度遠小於最低溫,可能表示黯化現象部分削弱了暖化現象。另外,溫度均較差也逐年縮小,亦可以當成黯化現象的一個顯著的指摽。在造成黯化現象成因中,污染物和雲量最為明顯。在有雲量的影響下,台灣地區汙染物濃度對黯化現象的影響程度,依序為硝酸鹽類>PM10>二氧化硫,此外少量污染物也會使雲量大幅增加,故兩者對黯化現象會產生交互影響。由雲量改變量對應日照時數改變量/雲量改變量的分析圖中,可看出都市地區年平均雲量改變量大於15%時,其雲量每減少10%,日照時數約減少3~22%;若年平均雲量改變量小於15%時,則對黯化現象不具統計意義。取每年十月中雲量在1以下的天數來分析各污染物對全天空輻射量影響,可發現雲量極低時,單位污染物濃度對黯化現象影響,SO2最大,NOx次之,PM10最小。

宇宙演化的黑手

We study the effect of dark energy on the evolution of cosmic structure in a scenario where the dark energy is treated as free particles and thus can be localized. By theoretical derivation and numerical simulations, we found that: 1. The dark energy particles gain kinetic energy from a moving dark matter particle through gravitational interaction. Due to energy conservation, the dark matter particle will slow down with time Ek(t) = Ek0 - 9 × 10-5[|1+3w|ρDE]1.92t where Ek(t) is the kinetic energy of the dark matter particle,Ek0 is its initial kinetic energy, w is the coefficient of equation of state for dark energy, ρDE is the mean energy density of dark energy, and t is the time. 2. The formation history and structure of galaxy clusters are different in the presence of localized dark energy. The more the localized dark energy, the earlier the formation of the cluster core. In addition, the kinetic energy Ek(R) as a function of R will be different if the ρDE is different. Thus we can compare the observed Ek(R) of clusters with our results to deduce the ρDE in our universe. The results here can be applied to the observations in the near future. 我們探討宇宙結構演化受到可局部叢集之黑暗能量粒子的影響。藉由理論推導及電腦模擬,我們發現: 一、黑暗能量粒子會透過重力交互作而從運動中的黑暗物質粒子獲得力學能。因力學能守恆,黑暗物質粒子的速率會減慢,滿足 Ek(t) = Ek0 - 9 × 10-5[|1+3w|ρDE]1.92t 其中Ek(t) 為黑暗物質粒子的動能,Ek0 為其初始動能,w 為狀態方程式係數,ρDE 為黑暗能量的平均密度,t 為時間。 二、星系團的形成過程及結構,會因可局部叢集之黑暗能量的存在而改變。黑暗能量越多時,星系團的核心會越早形成。而且動能 Ek(R) 隨著至星系中心距離R 的變化,會因 ρDE 的不同而不同,因此可以將量測到的 Ek(R) 和這裡的結果比對,推導出宇宙中的 ρDE 。 這些研究成果將可直接應用在未來的觀測結果上。

探討在不同組織表現LWD1/2基因對阿拉伯芥生物時鐘的影響

阿拉伯芥中,生物時鐘 (circadian clock) 會產生 24 小時之概日韻律 (circadian rhythm) 使植物適應環境中的溫度與光線變化。在阿拉伯芥中目前已經發現 LIGHT-REGULATED WD1 (LWD1) 和 LWD2 基因和調控生物時鐘有關,使其維持正常的一天 24 小時週期。當 LWD1 與LWD2 基因產生突變時,植物的生物時鐘週期會由一天24小時變為一天只有18小時。之前研究結果顯示 LWD1/2 會在維管束大量表現,由於目前對於維管束生物時鐘之運轉機制所知甚少,因此我們希望能進一步研究 LWD1/2 與維管束生物時鐘間的關係。 為了解 LWD1/2 在維管束中表現是否與其功能相關,我們將此兩種基因接上只會在維管束或葉肉細胞中表現的啟動子,轉殖入 lwd1 lwd2 雙突變株中進行互補試驗 (complementation test);藉由觀察生物時鐘週期是否從 18 小時恢復為 24 小時,以了解這兩個基因的作用位置及功能。由實驗結果來看,我們發現不論是單獨在維管束或是葉肉細胞中表現 LWD1 或 LWD2 基因,皆會影響到阿拉伯芥的生物時鐘,整棵植株表現出的綜合週期,介於野生型 24 小時與 lwd1 lwd2 雙突變株 18 小時之間。這個結果顯示,不同組織之間的生物時鐘可能不會互相影響;而 LWD1/2 雖於維管束中有較高的表現量,但仍需要在葉肉細胞表現才能具備完整功能。