[科展解析]教室中的沙塵暴－粉筆灰落塵的觀察與改善

  

 

粉筆是上課常用到的工具，對學生來說一點都不陌生，待在學校的時間比家裡還長。漫天飛舞的粉筆灰對學生的影響會不會很大呢?又該怎麼避免掉這些粉筆灰呢?今天讓實驗告訴你。

 

【X博士摘要說明】

1. 比較粉筆寫字前後的重量、 板擦擦黑板前後的重量、擦黑板後粉筆槽內粉筆灰的重量。


2. 比較教室裡各位置粉筆灰的落塵量。


3. 找出最適合的粉筆書寫速率與板擦擦拭速率。

 

第48屆科展生活應用科學科作品
題目：教室中的沙塵暴－粉筆灰落塵的觀察與改善
作者：高雄縣岡山鎮岡山國民小學同學們

 

【摘要(原文)】

粉筆和板擦是老師們上課時的重要工具，在無法完全不用它們的情況下，我們試圖找出減少粉筆落塵量的有效方法。從實驗中我們發現，教室粉筆的使用量有隨著年級增高而增加的趨勢，用量越多所產生的粉筆灰落塵就越多。我們進一步發現，粉筆經過書寫和板擦擦拭，大約有70％會形成粉筆灰落塵，其中的45％散落在粉筆槽外。散落教室的落塵在有風的環境比無風環境散播得更遠更均勻。而座位在距離黑板2.5m外受到的影響會較少。此外我們也發現粉筆灰落塵近3/4 來自書寫的過程，1/4 來自擦拭的過程。使用環保粉筆並將書寫速率降低到每秒50 ㎝以下，可有效減少書寫的落塵量。而放慢擦拭速率，並用濕抹布擦過再用乾抹布擦乾，較能有效降低擦拭過程所產生的落塵。

 

【X博士步驟說明】

步驟1.測量一個班級每週平均粉筆的消耗量

                 

粉筆使用量：高年級>中年級>低年級，每週平均用量為30.84kg。

步驟2.測量消耗的粉筆中，經擦拭後有多少成為粉筆灰落塵

約29.5%被板擦帶走，剩下的約有45%散落在空中，其他則散落在粉筆槽中。

 

步驟3.無風和有風情況下，粉筆灰落塵在教室中分布的差異

在教室地面貼上膠帶(黑色)，以目視點算的方式，分別進行在無風及有風的情況下，粉筆灰散落的平均值。

與想像中的相同，有風的環境下落塵分布的距離較遠。

 

步驟4.粉筆書寫及擦拭所產生的粉筆灰落塵量比較

在書寫及擦拭時，以光面黑膠帶貼滿的瓦楞版靠在黑板下方，計算兩種情況下的平均落塵量及所佔比例。

粉筆灰落塵的膠帶重-膠帶淨重=粉筆灰落塵量

 

步驟5.粉筆材質與粉筆灰落塵量的關係

以橘色環保粉筆及一般粉筆再做一次上組實驗，發現環保粉筆落塵量較少。

 

步驟6.書寫快慢與製造粉筆灰落塵的關係

書寫越快落塵比例越高。

 

實驗7.擦黑板快慢與製造粉筆灰落塵量的關係。

發現擦拭時間越長落塵越少。

 

步驟8.不同的擦拭方式與製造粉筆灰落塵量的關係。

向下>上下>向上>左右擦拭。

 

實驗9.不同的擦拭器材與產生粉筆灰落塵量多寡的關係。

同上一個實驗實驗器材，分別以濕抹布及L型板擦等速擦拭黑板。

 

根據上一實驗結果做比較，落塵量：一般板擦>除塵布板擦>L型板擦>濕抹布。

 

作者們有以下幾點結論：

1. 年級越高，粉筆落塵量越大。


2. 書寫和擦拭的過程中，約有75%成為落塵；其中的45%散落在教室中。


3. 若座位安排在離黑板3.5m外會更好。


4. 落塵有四分之三來自書寫過程，四分之一來自擦拭過程；書寫及擦拭過程越快，落塵越多。


5. 用濕抹布擦拭的落塵量最少。

 

【評語(原文)】

 

【X博士評語】

這是個既實用，又有趣的實驗。大家都經歷過吸紛筆灰的日子。這個實驗其實有些部分的結果是顯而易見，例如板擦擦得越快粉筆灰越多、粉筆寫得越快粉筆灰越多等等，雖然與生活經驗相符，但實驗中把這些這些粉筆灰的「量」求出來。而整個實驗最有貢獻的部分，是提出了一個距離黑板多遠為同學合適的座位距離。實驗結果若能對我們的生活有一點點的改善，都是小科學家們帶給大家的貢獻。

你長得好像日本人喔!

   

 

以下是我在某處櫃台聽到的兩句對話
男客人靦腆的說:你長得好像日本人喔!
女櫃台開心的說:喔,是嗎~謝謝

聽完這2句話瞬間讓我閃過許多想法
台灣深受日本文化影響

而韓風也漸漸吹近你我的生活中
日本和韓國也有很多很不錯的地方值得學習
而我個人也對日本這國家很多部份印象不錯
日系打扮,日系飲食我都很喜歡
但為什麼被講說"長得像日本人",需要覺得開心呢?
不可否認日本的確有許多女明星十分討人喜歡
因此女櫃台淺意識裏覺得日本女生就是可愛美麗的象徵啊~

言歸正傳,我特別轉過去看看那女生長得怎樣
天啊...真的很像是日本人
但是像的是不可愛也不美麗的日本人啊,哈哈~~

[科展解析]燒半壺不如燒一壺－影響瓦斯爐加熱效果變因之研究

  

這題目有兩個特色，第一是與大家的生活息息相關，任何人看了都不會覺得它是一個「書本上的事」。其次是省錢，在這個時代「省」已經是個潮流，不論是省錢、省能源、省錢省工的訣竅，都會吸引人注意。這個作品的設計概念很簡單，主要就是把我們平常在家裡用瓦斯爐燒開水時，可能影響到燒開水效率的幾個因素考慮進去，找出最有效率的組合。

 

 

【X博士摘要說明】

 

1. 使用電子溫度度，記錄加熱過程中溫度隨時間的變化


2. 把容器形狀、裝的水量多少、瓦斯爐火力大小、加蓋與否做出各個變因的組合。


3. 設計了「等效時間」與「30~90度」兩個判斷標準。

 

 

第53屆物理科作品
題目：燒半壺不如燒一壺－影響瓦斯爐加熱效果變因之研究
作者：桃園縣私立復旦高級中學(附設國中)同學們

 

【摘要(原文)】
將水加熱的過程中，會受到容器大小、容器形狀、水量及火力大小等因素，影響使用能源的多寡。因此將這些種種變因做組合，研究將水加熱時間的變化，並利用實驗找出最節省能源的方法。實驗結果：我們發現一次燒一整鍋的水，會比裝半鍋分兩次燒加起來的燃料還要少。但有時候如果使用小火慢慢燒，會比用大火快燒省下更多的能量。

 

【X博士步驟說明】

買來以下規格的鍋子，每個鍋子的材料都是相同的。

 

因為從水龍頭裝出來的水溫度都不一定相同，而每次水沸騰的溫度也未必剛好100度C，所以用溫度30度C升到90度C 的時間差做基準。

     

列出所有可以做的實驗

 

接下來要注意一下。作者們把「4500C.C.的水，從30度C加熱到90度C的時間」做為基準，作者們也想知道像是把4500C.C.分成三次1500C.C.來燒的結果，會不會比較節省瓦斯。因此設計了一個叫做「等效時間」的參數。也就是用

A: 加熱4500C.C.的時間

B: 加熱3000C.C.的時間×1.5

C: 加熱1500C.C.的時間×3

D: 加熱1000C.C.的時間×4.5

E: 加熱500C.C.的時間×9

來做比較。

另外，作者們也用排水集氣法，量出瓦斯爐轉到大、中、小火時，每秒鐘消耗的瓦斯量。想知道瓦斯消耗量是為了在最後，是為了可以把每C.C.瓦斯提供多少熱量計算出來。

作者們有幾項結論

1. 燒水時水裝得越多，越節省瓦斯。


2. 加蓋子比較省瓦斯。


3. 排除掉「怎麼燒都燒不開的例子」的話，瓦斯爐開小火慢慢燒比較省瓦斯。

 

以下是評審給的評語

 

【X博士評語】

能與大多數人生活有關的題目總是比較能吸引大家注意。熱學的實驗非常容易受到環境的影響，像是氣溫就是一個我們無法掌握，卻又是會影響實驗的一個變因。科展實驗大多是利用同學們課餘時間在進行，這個作品中有些實驗燒開水一燒就要半個小時，全部的實驗做完恐怕已經過了兩、三個月，氣溫早已經有明顯變化。但這一點是可以歸類為「無法排除的變因」，作者們也在文章中有自行提出。X博士讚同評審所說，這個作品只要運用現有的數據，就可以針對其中所包含的物理變因做更精緻的討論。像是作品中長鍋與扁鍋是兩個極端的鍋形，配合上大火與小火這兩種火力的組合，應該可以做出更多的討論。

[科展解析]老鼠學看紅綠燈－老鼠們的智商

 

 

一看到這個題目，就會讓人忍不住想要認真看。能夠吸引評審目光，讓評審們留下深刻印象，這是一個題目的重點。這個作品的完整題目是「老鼠學看紅綠燈─老鼠們的智商」，這會讓人想到兩個重點：「老鼠能不能看到不同顏色」、「老鼠聰不聰明」。辨色能力的實驗比較容易設計，針對老鼠智力的部分，作者們設計了迷宮實驗，分辨出怎樣的反應是老鼠的「天性」、怎樣的反應是老鼠「想過的決定」，是很有興的分析。(本作品中所提到的老鼠指的是三線鼠)  

 

 

【X博士摘要說明】

 

題目主要分成「老鼠的智力」與「老鼠的辨色力」兩個部分。「老鼠的智力」利用走迷宮的方式來測試；「老鼠的辨色力」用不同顏色的通道來實驗。結論發現老鼠走路時的「天性」、也提出老鼠有記憶的能力的證明。本作品也提出三線鼠確實對顏色是有反應，但由於作品對實驗的描述不夠詳細，無法確實了解步驟，X博士將提出其他看法。

 

 

第52 屆科展生物科科作品
題目：老鼠學看紅綠燈－老鼠們的智商
作者：新北市立永和國民中學同學們

 

【摘要(原文)】

本次實驗主要是利用迷宮、顏色通道等來了解寵物店常見的三線鼠（加卡利亞倉鼠）（Phodopus sungorus）各方面的學習、記憶、推理能力與對顏色的辨識能力。在測驗記憶及學習能力的實驗中，可從結果中看出三線鼠在未經訓練時幾乎都本能地走一路走到底的路線，而訓練過程中可看出三線鼠愈來愈常選擇「反天性」（碰到叉路就轉彎，也就是我們希望牠們學習的路線）。由此可得知牠們具有記憶能力與學習能力。得知三線鼠具有記憶能力與學習能力之後，再以各顏色通道測驗他們對顏色的辨識能力，以進一步探討三線鼠的辨色能力。最後從實驗結果得知，三線鼠能分辨人類可見光中波長較長的紅色和波長較短的藍色，對顏色的辨識具有學習能力和記憶力。

  

【X博士步驟說明】

首先，為避免每一隻老鼠牠「個人」的習慣造成實驗誤差，所以作者們準備了六隻老鼠一起做實驗。

 

作者們先利用一個簡單的迷宮設計，區別出三種老鼠走路的習慣，也就是老鼠的「天性」。把老鼠放在起點(寫1,2,3的地方)，觀察老鼠會走1,2,3的哪一條路。這三條路的意義分別是

1.一路跑到底再轉彎

2.碰到岔路轉彎再直走

3.碰到岔路就U turn

綜整六隻老鼠的結果，發現未經訓練的老鼠大多會本能地往前直走，直到遇到障礙。

未經訓練的三線鼠在迷宮中大多會本能地往前直走，直到遇到障礙。

接著是在迷宮固定某處放葵瓜子，測驗多次看看老鼠會不會記得葵瓜子的位置。結果發現經過訓練的三線鼠大部分會走向正確路線(路線C)。

接下來是老鼠的辨色能力，作者們設定紅色通道是「對的路」，終點有放食物；藍色通道是「錯的路」，老鼠如果進去了，作者們就以上下左右搖動通道，讓老鼠感覺不適。

經過統計發現經過練習之後，老鼠走向對的顏色的機率逐漸提升。

   

結論是

1. 三線鼠的直覺：「不理會岔路，一路走到最底端」

2. 三線鼠具有學習與記憶能力。

3. 三線鼠可「感應」到紅色和藍色。(這裡強調感應，是因為有其他報告指出牠們的眼睛或許真的看不見紅色，但牠們的鬍鬚可能可以感應到不同波長的光波，鬍鬚的震動頻率也許會隨照到色光的不同而有所改變)

 

以下是評審給的評語

【X博士評語】

X博士個人認為，一個題目的「有趣程度」，也是一個重點。題目若有趣，做研究的人也會因為題目有趣而有更多的研究動力，讓人邊的注意到自己的研究，也會提升許多研究的成就感。顯然這是一個有趣的題目。首先作者們設計的迷宮，可以剛好區別出老鼠前進時的三種行為，找出老鼠喜歡直直走的天性。智力實驗中，作者們也認為老鼠也可以被訓練出找到有食物的正確路線，但我們也可以想想老鼠會不會是因為食物氣味的吸引，而非經由訓練而成長的智力。最後辨色實驗雖然指出老鼠具有感應顏色的能力，作者們提到四色通道是「依序」排好，所以說不定老鼠也可能記憶的是通道的「位置」而非「顏色」。以上X博士提出的兩點只是補充，作者們若能自己在作品中提出這兩點，做為未來修正實驗的目標，那將會是一個更完整的作品。

[科展解析]天地之間─測量地球的半徑

 

在不知道科展要做什麼題目的時候，有一個好方法，就是看看以前的選手們做過哪些，同學們常常會在這個過程中，就會冒出一句：「原本的人這樣做的話，那我可以…」。參考先前作品可以引發自己新的研究想法，另外，也有機會可以針對原有作品可以再改進的地方，將實驗做進一步的延伸。這邊就要介紹這樣一個例子。

 

 

【X博士摘要說明】

 

48屆科展同學，利用車用GPS定位與桿影的變化，計算出地球半徑。本作品針對該研究幾個部分再做調整。

 

1. 實驗儀器改良，得到更精準的太陽光與地面夾角。


2. 實驗日期、時間與地點的改良，修正地球自轉軸與太陽光夾角。

 

再得到本研究的結果。

 

 

第50屆科展地球科學科作品
題目：天地之間─測量地球的半徑
作者：彰化縣立大同國民中學同學們

 

【摘要(原文)】

根據第 48 屆全國中小學科學展覽作品：「做一個能輕易測得地球半徑的人－利用太陽光求地球半徑」研究，他們利用影子來測量同一經度南北兩地的太陽仰角，求得地球半徑。我們認為該團隊記錄時，因陽光形成的半影、選擇中央氣象局測候站公布太陽過中天時間為據、測量日期選在一月下旬，這三點令我們懷疑其報告可以求出極接近實際值的真實性。我們改進前人研究的缺點，利用水晶球360°聚焦太陽光的性質，自製一個不受風及半影影響的「太陽仰角記錄器」，並選定同一經度太陽過中天時間相同的「冬至」及「夏至」兩天測量，以所在經度換算測量時間，並輔以當天太陽過中天時太陽方位角180°正南、0º 正北方校正，測量出地球半徑為6457.8947km 及6336.0477 公里，誤差值1.25%及0.66%。

 

【X博士步驟說明】

48屆作品是用線吊著錐形重物，測量影長來計算太陽與地面的夾角。本研究指出這樣的方式受到風吹時容易產生擺動，而且48屆作品中也自行指出會有半影存在的問題。

  

本研究為解決半影問題，利用聚焦的方式，得到更精準的太陽與地面夾角

  

作者們製作了兩代的儀器，第二代請專人開模，做出半圓球殼屏幕

  

雖然在同一經度上，中午陽光都會經過中天的位置，由於地球自轉軸傾斜，圖中10月某日的中午太陽是照在A’與B’，而非真正同一經度的A、B兩地。因此作者們先在冬至進行實驗，之後到了夏至再重覆一次。

  

作者們再利用兩個方法，捕捉了夏至與冬至太陽到了中天的「瞬間」。

1. 太陽光在2009年12月21日冬至時，來自正南方的瞬間


2. 把一天用標準時間23小時又56分來算，配合時區的換算，得到測量地之經度，太陽到了中天的時間應為中午11:57。

  

  

接下來是測量結果

    

其中的數學三角理論，請參考地球半徑自己量

 

這個作品最妙的時，做了這麼多努力，沒想到量出來的結果比48屆作品結果有更大的誤差。針對這樣令人意外的結果，作者們做了以下的討論：

     

 

【X博士評語】

參考先前作品，加入自己想法，改良後成為自己的新研究是很不錯的事。X博士認為，「實驗方法」是科展競賽的精神之一，「研究結果」只是用來判斷研究中實驗方法「合理不合理」而已。比方說同學自創的實驗方法，對熱漲冷縮做實驗，只要實驗結果不是做出「熱縮冷漲」，那都可以說實驗結果算是合理。地球原本就不是正球形，所比較地球半徑正確答案也都是一個參考值，大家的測量結果只要與參考值相差不遠，都可算是很不錯的研究。這個實驗還有很多細節是沒有考量到的，像是南北測量地點的海拔高低、實驗中用指南針找出的南方是「地磁南極」而非「地理南極」、或是評語中所說的大氣折射，這些都可以歸類為「研究不考慮的變因」，這些也都可能造成實驗的誤差。也就是說，這兩個作品「本來就可能不太準」。X博士認為這兩個作品都是很不錯的作品，對這兩個作品研究誤差值大小的比較意義不大。