全國中小學科展

臺灣

蚜蚜學泳–睡蓮蚜適應水上生活的機制

睡蓮蚜是一種生活在水域環境的蚜蟲,而本研究證實:此種蚜蟲對水源和水中浮萍具有偏好性,並在水中具有勝過陸生黑豆蚜和玉米蚜的求生能力和登陸能力。睡蓮蚜的這些能力源自其異於其他蚜蟲的構造:較輕的質量和較長的腳使其能夠憑藉表面張力於水上站立和移動,並且在登岸時可以產生物理中的Cheerios Effect快速吸附陸地,水中生活的機動性因而極高。另外,睡蓮蚜的腳有彎曲的特徵,加強Cheerios Effect 的效應,加強登岸能力。睡蓮蚜的腹面氣孔亦有朝兩側生長的現象,以適應水上腹面經常碰觸水面的生活。

大屯火山群磁場分布測量與分析

近年來許多研究顯示台北的大屯山底下可能存在岩漿庫,而最近一次的噴發可能約在5000年前,於是我們決定利用地球物理方法對大屯山做更進一步的了解。由於磁力測勘是了解火成岩區的重要工具,而且前人對大屯山的磁力探勘似乎著墨較少,所以我們決定使用磁力對大屯山進行測勘。測區包含了公路以及步道的部分,量取資料後,我們經過一些標準的程序得到磁力異常值,再利用極化修正將資料修正得更直觀,並用修正前後的資料繪出的圖與溫泉露頭、地表岩性等做比對。最後我們利用物理方法得到相對的居里點深度,希望能進一步了解大屯火山群的地熱活動。我們研究後認為:大屯山下方的居禮點深度較深,地熱活動較不活躍,而七星山到大油坑間的居禮點深度較淺,地熱活動則較旺盛,可能有岩漿庫存在。

猜牌術

This research mainly talks about how someone, by observing the non-congruent patterns on the backs of the playing cards and by working with the dealer on a pre-arranged lay out, can call out the cards as if he possessed the magic power to see through them. During the card-predicting game, one can use the patterns on the backs of the cards as visual clues (Observing whether it was places upside down or not)to help figure out the probability of where the card is going to show up. Suck a mathematical formula is known as the Pigeonhole Principle. Upon an analysis of the formula, we find that when given that the value of n is greater than 24, we can successfully call out a number of cards that is greater than 2n/3 . The possibility of such mathematical studies in other directions is endless. 中文摘要: 本研究主要探討利用橋牌非對稱的牌背,猜牌者經由和傳遞牌的人的一種事先約定的方 式(排法),彷彿(魔術)透視般的將一疊牌的花色逐步猜出。其猜牌過程是利用牌背 圖案的朝前朝後的指示,配合適當的猜牌張的分配,而運用到的數學法則包含鴿籠原 理,分析與討論歸納。最後我們得到一疊由四種花色張數相等所混合的n 張牌,可猜出 的張數恆大於 2n/3 (n>24 時)。後續可研究的方向仍然甚廣。

利用熱溶劑法製備鐵硒超導奈米片及特性之研究

本研究發展一套熱溶劑法合成鐵硒奈米超導體,並嘗試發展出新的元素摻雜方式。由此熱溶劑法所合成之鐵硒奈米超導體具有特殊的八邊形奈米片結構,除此之外更具有20K之超導臨界溫度。接著我們嘗試以吡啶溶液對奈米片進行插層的動作,雖然插層並不成功,但我們卻由此得知20K之超導臨界溫度是由鹼金屬的摻雜所促成。故我們調整熱溶劑法的反應環境,使得結晶與摻雜兩步驟在一反應系統中同時進行,透過此方法我們成功將更大量的鹼金屬摻雜至結構當中,且能以替換鹽類的方式來摻雜不同鹼金屬,由此方法所合成之鐵硒奈米片明顯具有比原先更高的超導臨界溫度,且仍保留原有的特殊八邊形結構。最後在改善量測的方式時我們更意外的發現較大的奈米片具有不同的物理性質,在磁性量測中約40K處有明顯的抗磁訊號產生,因此我們推測特殊的奈米片也有可能是影響超導臨界溫度的因素之一。而由於本研究在製成技術及樣品性質上皆有極令人耳目一新的突破,故可望在講求能源效率的今日有所貢獻。

嘗試從小鼠胚胎幹細胞培養成生殖細胞

許多難纏的疾病,如神經退化性疾病與糖尿病,在1998年建立人類的胚胎幹細胞後,開始露出一線曙光。但就算科學家已經從胚胎幹細胞,成功引導出特殊種類與功能的細胞,預備做細胞治療時,需透過細胞核移植技術,使排斥的情形大大減少。所以當今年3月,韓國透過細胞核移植技術成功作出人類的胚胎幹細胞株時,轟動全世界。但是,他們從242顆卵,只做出一個胚胎幹細胞株,浪費這麼多卵子就牽涉到醫療倫理的層面了。既然,每一個人都要訂製自己的幹細胞株,那麼卵子的來源就很重要了。理論上,胚胎幹細胞可以分化成所有細胞與組織,當然也應該含生殖細胞在內。去年5月底,賓州大學就利用小鼠胚胎幹細胞,體外培養出型態上非常像卵子的細胞。所以,今年暑假利用兩個月時間,有個機會參與了台大醫學院婦產科的胚胎幹細胞研究團隊,稍稍瞭解了胚胎幹細胞製造成生殖細胞的過程。我們採取一種方法,先從胚胎幹細胞株,用類胚胎體(EB)的立體環境,加上 SSEA-1的篩選,與維他命A的刺激,引導至初始生殖細胞,第二步利用細胞重組的方法,利用小鼠胚胎的性腺組織,來支持這些選擇過的細胞,希望可以培養出小鼠的卵子或精子。我們從EB得到SSEA-1細胞約為全體細胞的10%,然後經過維他命A的刺激,得到SSEA-1細胞約為全體細胞的5%,這時的細胞理論上是初始生殖細胞 (PGC),但是之後的體外單獨培養或與胚胎性腺重組培養,發現成果並不是很理想。到最後,也許受限於時間還有能力,沒有得到明確的小鼠生殖細胞,但是過程中,我學習到生殖細胞的生理,胚胎幹細胞的特性,基本實驗室的細胞培養與組織染色,這些都令我印象深刻。我們認為,如果有一個適當的基因轉植的胚胎幹細胞株,例如GFP放進生殖細胞相關的基因裡頭,讓達到終點,或邁向目標的細胞群,可以自我顯現,實驗會更容易達成目標。Scientists discovered ways to obtain or derive stem cells from early mouse embryos more than 20 years ago. Many years of detailed study of the biology of mouse stem cells led to the discovery of human embryonic stem cells in 1998. Through years of experimentation scientists have established some basic protocols or "recipes" for the directed differentiation of embryonic stem cells into some specific cell types. One major problem that must be solved before human stem cell therapy becomes a reality is the threat of rejection of the transplanted cells by the host's immune system. One way to avoid the problem of rejection is to use stem cells that are genetically identical to the host. This could be achieved by the same techniques of somatic cell nuclear transplantation (SCNT) that produced Dolly. Low efficiency less than 0.5% (1/242) in Korea this March brought some controversies in ethical issues. Where and how to procure the large amount of oocytes that will be required? One source of eggs could come from the generation of oocytes from embryonic stem cells (ESCs), as described by Hubner et al. (2003) in the mouse. By the selection of primordial germ cells (PGCs) and re-aggregation with their stromal cells, we hope to derive mature germ cells such as oocytes and sperm from ESCs in this study. In this study, we have demonstrated some PGCs after sequential selection by SSEA-1 antigen and optimal culture conditions. We also proved some FE-J1 positive cells but no further fertilization was obtained after all. Further investigation about this mechanism may be needed to derive these germ cells from ESCs.

深水炸彈~探究撞擊波對水體與浮球之力學交互作用

本實驗是探討球體受到水與寶特瓶交互作用產生噴射的實驗。藉由研究裝球與水的寶特瓶落下高度與球的噴射高度的數據,找出交互作用的關聯性,進而找到噴射的最佳條件,並探討球噴射的原理。我們藉由電磁鐵、滑軌裝置,以攝影慢速播放方式,發現球體噴射的力來自於撞擊波,藉由寶特瓶瓶身及水體傳遞能量,在水面中央形成空腔及水柱噴射。本實驗以直徑4公分的保麗龍球、使用釣魚線及磁鐵固定在水面中央、約2公分沒入水中;直徑11公分瓶頸斜度大、撞擊面積小的寶特瓶的組合,產生的撞擊波對球體有最佳噴射高度。

中樞神經節對美洲蟑螂步足反射的影響

本研究透過測量美洲蟑螂(Periplaneta americana)後足反射之程度與耗時等參數,探討中樞神經系統中各神經節在後足反射所扮演的角色。我們發現腦神經節對於反射作用有抑制與整合的效應,前胸神經節會增強反射,而後足的反射中樞位於中胸神經節與後胸神經節,腹部神經節則會抑制反射。本研究以電池座、釘書針與網路攝影機等簡單器材觀察、量化昆蟲足部反射運動,可推廣成國中生物中「反射」相關課程之行為觀察的探討活動。此外本研究也透過步足肌肉的肌肉電位圖(electromyography, EMG)記錄,證實了腦神經節在步足反射過程中具有調控功能。本研究的成果可應用在仿生醫療上,有助於術後復健或輔具製造的相關研究。

逆勢求生-K子祺和局之研究

主動式車門安全開啟裝置

根據我國警政署統計,現今由於汽車駕駛人或乘客因為開車門不慎而導致的車禍致傷或致死的悲慘案例幾乎天天都在發生,嚴重影響了道路行車安全,更造成寶貴人命的無謂損失以及社會成本的慘痛付出。本研究主要目的係針對防止此類車禍一再發生,利用超音波測距模組、Arduino晶片模組做為處理系統,除現有閃燈、蜂鳴等被動裝置外,加上了主動式阻尼制動器,主動防止車門在機車騎士經過時被推開,以達到避免這種意外一再發生的效益。本研究發現採用傳統液壓式阻尼器成效良好,但是近一步改採磁性流體填充之阻尼器之成效仍有待改進。

機率無所不在-探討麻將賓果遊戲中獎機率

日常生活脫離不了機率問題,也因為機率使生活充滿樂趣與驚喜,本文藉由麻將賓果遊戲的討論,試著分析連線的概率計算,進而研究抽牌數量對應的連線機率,以及每局花費的成本與應得到的獎品價值的關係。目前在夜市中的麻將賓果遊戲玩法,大多是以排入6x6矩陣,達連線則獲勝,總共有36張牌,由當中抽取12張至15張牌,每局所需的費用由10局100元到1局100元都有(不同攤位抽取的數量各異)。經過我們理論計算的結果,能在夜市獲得連線得到獎品的概率實在是很低,機率由抽取12張牌的0.55%到抽取15張牌的3.73%,且其對應的獎品價值應該要比目前老闆提供的大娃娃更好才能達到期望值的數值。