科學X博士

2015年9月20日星期日

【科展解析】「月」來越好玩

投影片1

在國小的自然科學裡觀察星星有星座盤，但是觀察月亮就沒有月亮盤可以操作，於是我們就想是不是也可以用簡單的工具也能夠觀察到需要精密儀器才能測到的月亮數據呢?

【X博士摘要說明】

1. 製作月亮運行的 3D 模型

2. 哪個方位或是哪一個高度比較容易看見月亮

3. 製作測月距的方法

第 52 屆國中地球科學科作品
題目：「月」來越好玩

作者：基隆市立銘傳國民中學的同學們

【摘要(原文)】

分析台灣 1912 ~ 2011 年的百年月球資料，我們以台灣觀察者看月亮時，發現：(一)月球以螺旋式來回繞地球運行，周期約 28 天

(二)月升、月落方位角及過中天高度角的變化量，有似的循環週期，將每年最大和最小角度差值的變化量繪成曲線，此圖與正弦定律相仿，且變化與沙羅週期雷同

(三)面向南方看見月亮的機率為 93.6％，遠大於面向北方的機會

【X博士步驟說明】

●觀察月亮在不同年分時路徑的變化，並製作月亮運行的 3D 模型

投影片2

我們發現觀看月亮，不只在升落方位上有移動，在高度角上也有高低的變化，也就是說，月亮具有三個移動的自由度，整體移動的模式就像螺旋式的移動，由此可見，月亮並非等速率圓周運動的星體。

投影片3

●月亮面向北方的機率

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面向南方看見月亮的機率遠大於面向北方，而除了三十日之外，差異不大，亦即任何一個月相都有機會面北。

投影片5

觀察月亮高度角 90°在不同農曆日期出現的機率，發現每個月都有出現，其中最大的機率在出現在農曆十六日，亦即滿月附近；最小的機率出現在農曆初四和三十日，亦即眉月附近，兩者相差 3.93％，所以要看見月亮高高掛的最佳機會是滿月。

●測量月球距離的方法

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數據分析與結論

每次升起方位循環的天數雖然相似(約 28 天)，但月亮經過的路徑不盡相同。月亮每次升起方位循環的行徑範圍似乎有擴大、縮小、擴大、縮小…的趨勢，回到原來的範圍大約需要 18~19 年左右，與沙羅週期和月亮交點週期雷同，利用整理出的資料製作月亮簡易的 3D 軌道模型和動畫，使大家更了解月亮的運行方式。比較各種測量月亮距離的方法，可知硬幣測量法用的幾何概念簡單易懂，也可實際操作，是所有測量法中最適合中學生操作的方式，如果可以找到取代人眼偵測的工具會更好。

以下是評審給的評語

投影片7

【X博士評語】

本次的科展作品，讓我們對月亮有更深入的了解，而觀察月亮在90度的位置時最大的機率會發生在農曆16日左右，也就是滿月左右。而利用簡單的原理製作測輛月距的方法，雖然比起雷射測距儀有相當的誤差，但已可讓我們透過簡單的幾何關係和工具了解地球與月球的距離關係。

【科展解析】你刷了沒--牙菌斑的指示劑

投影片1

睡覺前爸媽總會問我說：「你刷牙沒？」，我說：「刷過了。」但他們總是說我刷牙不夠徹底，我心想若有一個指示劑，可以證明我牙齒清白該有多好。

【X博士摘要說明】

塗抹各種牙菌斑指示劑，並使用不同評估方法以檢測人體牙菌斑

第 50 屆國中生活應用科作品

題目：你刷了沒--牙菌斑的指示劑

作者：臺中市立居仁國民中學的同學們

【摘要(原文)】

牙菌斑附著於牙齒表面，面積小不易被發現。只有牙菌斑指示劑能顯示出牙菌斑，可用於評估刷牙的效果，但一般只有在牙科診所使用，且價格不便宜，找到經濟實惠和簡易的物質，並且具有牙菌斑指示劑的功能，格外具有重要性。在此研究中，我們嘗試用紅色火龍果的汁液，作為牙菌斑指示劑，在家進行自我口腔牙菌斑的檢測，來減少齲齒發生。我們採樣檢測人體牙菌斑的六種變化，利用紅色火龍果內含大量花青素的成份，在 pH 8 時呈現紫色鹼性染料，來做為牙菌斑指示劑。紅色火龍果的汁液，可用來辨視牙齒上的牙菌斑染色效果，在堆積量及菌量數，是有明顯的差異，也印證除牙菌斑指示劑外，可利用生活中的食物來應用。

【X博士步驟說明】

●塗抹各種牙菌斑指示劑

牙菌斑指示劑：為陽性反應印證實驗方法指標(成分：赤蘚紅)

原理：牙菌斑鏈球菌是格蘭氏陽性細菌，其蛋白質帶負電荷，所以採用帶正電荷鹼性染料容易結合，使其紅色色素進入並滲透於牙齒上的牙菌斑後，不容易漱口去除。

紅色火龍果：成分花青素

原理：紅色火龍果內含花青素，是一種天然的酸鹼指示劑。pH 7 - 8 時，呈紅紫色，帶正電荷鹼性染料，我們可以利用紅色火龍果內花青素來作為牙菌斑染色劑。

●使用不同評估方法以檢測人體牙菌斑

牙菌斑人體模型分為三組:無指示劑組、牙菌斑指示劑組、紅色火龍果組，採樣人體飯後一小時牙菌斑量。

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牙菌斑酸鹼值之測量由同一人執行，用牙籤將牙齒上所有可收集牙菌斑刮下，利用酸鹼值測試紙，測試酸鹼變化，評估牙菌斑指示劑有無染色效果。

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牙菌斑之收集由同一人執行，用牙籤將牙齒上，所有可收集牙齒上牙菌斑刮下，並馬上秤重。

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牙菌斑之收集由同一人執行，用牙籤將牙齒上，所有可收集牙齒上牙菌斑刮下，並馬上秤重。吸光値測定：

樣品置 1 ㏄小瓶加蒸餾水稀釋。

分光光譜儀，需以純水歸零。

稀釋各種牙菌斑指示劑樣品，分別加入 1 ㏄的比色管。

分別測定波長 600 nm 下之吸光值，紀錄與數據分析。

投影片5

本實驗以牙籤採集牙齒面檢體，牙菌斑之收集由同一人執行，用牙籤將牙齒上所有可收集牙齒上牙菌斑刮下，藉由格蘭氏染色來觀察是否是牙齒上的牙菌斑。

數據分析與結論

牙菌斑可由人體直接取樣、觀察、分析，其實驗之方法及結果。來印證除牙菌斑指示劑外，也可利用生活中經濟實惠的食物，如紅色火龍果，作為簡易的牙菌斑指示劑，來應用其可行性，在家輔助進行自我口腔牙菌斑的檢測及減少齲齒發生。

以下是評審給的評語

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【X博士評語】

牙齒是淡黃色，牙菌斑薄而無色不易發現，唯有牙菌斑指示劑，可以讓牙菌斑露出原形。而火龍果剛好具有此獨特性，很像 pH 指示劑 pH 7-8 時，為鹼性呈紅紫色，可以拿來檢測平常刷牙是否有刷乾淨，同時也提醒自己要做好牙齒保健，可以說是相當生活化的題材。

【科展秘笈】科學實驗的基礎－測量

「測量」這個步驟，在整個科展的研究過程中，扮演著相當重要的角色。大部分的研究題目，都需要經過許多的測量過程，才能得到所需要的數據資料，進而成為自己研究成果的分析參考。然而，實驗中想要測量的對象，通常都不是那麼容易可以想要量就量得到的，像是「一顆球掉到地上時產生的衝擊力」這樣的測量，雖然我們都知道球的重量越重、或是球從越高的地方掉下來，都會對地面產生較大的衝擊力，但這個力要怎麼測量，絕對不單單只是在地上放一個磅秤，讓球掉到磅秤上就可以測量得到。除了找出測量方法之外，這個測量所產生的數據誤差大不大、要如何避免誤差產生？也是測量過程中不可不注意的問題。本文就要從「想要的數據量得到」這個問題來談。

用最適合的測量 清楚描述實驗結果

實驗中進行測量時，會有許多需要測量的實驗目標物，也會有需要要表達的實驗狀態，這些把往往都需要用數字把它表達出來。這次我們要用三個不同的實驗，說明如何利用適當的測量方法，表達出我們的實驗結果。

一、直接測量

比如說，在我們的研究中，需要測量待測物體在水中所受到的浮力，而一個物體在水中所受到的浮力，可以從幾個方法得到：

(1)首先用彈簧秤測量物體在空氣中的重量，接著再測量物體在水中的重量，空氣中的量到的重量減掉水中量到的重量，就等於物體所受到的浮力。

(2)從物理上可以知道，物體在水中所受浮力，會等於這個物體所排開水的重量，所以只要記錄物體放入水中前後的水位高度，經由水位高度變化推算物體所排開水的體積，再乘上水的密度，就可以知道物體排開水的重量。

這兩種方式，第一種是用測量工具直接對「力」來測量，量到的數字，直接就能代表我們想要得到的物理量；另一種是對「水位」進行測量，雖然我們測量的是水位的變化，可能是水位上升了多少公分，但這個數字有物理上的定律可以直接轉換成我們想知道的浮力。這些方式所得到的結果可以直接用到實驗中，這就是本文所說的直接測量。

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二、間接測量

海綿、保麗龍這兩種材料常常用來提供物體保護，我們想要知道物體受到一個力量衝擊的時候，哪一種材料吸收衝擊力量的效果比較好？當我們準備好兩塊一樣大小的海綿和保麗龍時，馬上碰到的問題就是

1.要如何測量衝擊力量的大小?
2.要如何測量吸收力量的大小?

一個衝擊就是一個碰撞，其實可以再細分為碰撞開始到結束的時間、碰撞過程的形變、碰撞速率大小與角度等等。設想一個實驗設計的出發點，還沒有對衝擊與碰撞想得這麼仔細時，一開始想到的，以白話來講大概就是「撞得大不大力」。而「撞得大不大力」就需要我們找出具體且合理的數字來表示。

我們可以用一個重物，比如說一個用鋼珠，從不同的高度以自由落體的方式掉落在我們的待測材料上，我們想要看看我們的待測材質，對不同的衝擊力大小的反應時，只需要改變鋼珠落下的高度，從越高的地方掉下來所代表的，就是用越大的力量來衝擊。換句話說，如果原本的設定是希望在實驗中，用小鋼珠、中鋼珠、大鋼珠產生100克重、200克重、300克重等不同的力量，如果這三個數字只是用來當做「小力」、「中力」、「大力」，而沒有一定要是100、200、300的話，那這個變數，就可以改用同一個鋼珠，分別從10公分、20公分、30公分等不同高等掉落，同樣可以有「小力」、「中力」、「大力」這樣的效果。

而材料所吸收的衝擊力，則可以用鋼珠反彈的高度來測量。鋼珠直接掉落在堅硬的地面上時，會向上彈起一個高度。將海綿或是保麗龍墊在地上時，鋼珠所彈起的高度一定會比較低。我們只要比較鋼珠從堅硬地面上彈起的高度，以及從待測材料上彈起高度的不同，中間反彈高度的差異，就可以代表被待測材料所吸收的力量了。以圖上的例子來說，原本沒有待測材料的保護，鋼珠從距地150公分落下時，會彈起120公分高；現在放了待測材料後，鋼珠從距離材料150公分上方落下時，彈起了40公分高。也就是說，中間反彈相差的80公分所需要的力量，被待測材料吸收掉了。

簡單來講，這個實驗中直接測量到的是「撞擊到不同的待測材料時，鋼珠落下高度與反彈高度的關係」。也就是，我們把整個實驗中對「力量」的測量，用「高度」來代表。

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三、替代測量

玻璃做的燒杯是實驗室中最常用來加熱的容器，但日常生活中我們會有各種不同的加熱容器像是水壼、炒菜鍋、湯鍋等不同材料、不同形狀的容器來加熱。要找到不同材料、相同形狀與大小的鍋子很難；但要找到相同材料、但不同形狀與大小的鍋子，通常只要買同一個牌子的就有了。如果我們設計了一個實驗，想要知道哪一種容器拿來燒開水的效果比較好，可以較有效率的把水煮沸到100度C的話，我們可以採用前述間接測量的方式，測量把水加熱到沸騰所需要的時間，來表示不同容器加熱的效果。這樣的實驗聽起來很合理，但在實驗操作過程卻會有一些小問題。首先第一個問題，每天打開水龍頭，出來的水溫就未必相同。另一方面，在整個加熱過程中，一開始溫度上升較快，但到了接近沸騰時，溫度會上升的非常慢。實驗可能從25度C加熱到95度C花了約15分鐘，但95度到100度C的時間卻花了20分鐘。將實驗再重覆做一次的結果，25度C加熱到95度C還是花了約15分鐘，但95度到100度C只花了10分鐘，很顯然在加熱到接近沸騰時，會因為一些難以控制的因素而影響到實驗，像是實驗進行中周圍環境的改變等。這個問題就好像英文考試考600分的人，英文能力未必真的比考598分的人好一樣。雖然把水燒到沸騰是把自來水變成飲用水的一個條件，回頭看看我們實驗的重點，我們想要討論的是不同容器的加熱效果，結果發現實驗在接近100度C時會有很大的差異產生，而這個差異的產生並不是由我們想要討論因為容器的不同所引起。這個時候我們可以再實驗設計成用「從30度上升到90度C的加熱時間」來替代我們原本的實驗。一方面可以避開每天水龍頭水溫不同的問題，同時也可以減少在水溫接近100度C時，每次實驗所產生的差異。利用「從30度上升加熱到90度C所需要時間」來替代「加熱到沸騰所需要的時間」。這就是所謂的「替代測量」。

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科展研究的主題包羅萬象，其中充滿了同學們的科學夢想與創意。在整個研究進行過程中，運用合理且方便的測量方法，將同學們具體的idea 變成一個可以量得出來的數字，除了可以讓實驗更順利的進行，更可以清楚的表達同學們想要呈現的研究結果。

2015年9月18日星期五

國家太空中心科普活動：全國小太空人計畫

國家太空中心科普活動：全國小太空人計畫(科技部科普計畫)

本計畫包含節目製作與現場活動兩部分

在節目方面

計畫中設計了三個太空單元，以及三個太空Q&A問答，於超級電視台「超級小英雄」節目中播出。依播出時間順序為：

2014/8/31 播出「人造衛星怎麼轉彎」

2014/9/7 播出「自製神奇水火箭」

2014/9/28 播出「光的折射與太空的關係」

2014/10/12 播出「太空問答台灣有幾個衛星」

2014/10/19 播出「太空問答福衛二號的功能」

2014/10/26播出「太空問答福衛三號的功能」

在活動方面

2014/10/25 台中場國立自然科學博物館地球環境廳

2014/11/12 花蓮場花蓮市中華國民小學活動中心

2014/11/15 新北場新北市私立竹林高級中學活動中心

2014/12/04 台北場臺北市私立靜心國民中小學活動中心

2014/12/06 高雄場高雄市私立立志高級中學活動中心

本計畫將於「超級小英雄」節目中，以太空環境與太空科技相關知識製作為節目單元，在節目中以前所未有的「動手學太空」方式，教導學童在家中以科學實驗的方法，了解各項太空相關知識，再以節目中教導的太空知識為基礎，讓學子們參與本計畫於全國北、中、南及偏遠地區，共五場之系列親子科普競賽活動，達到寓教於樂的效果。

研究目的

結合現有電視節目，提升科學知識推廣效果

競賽闖關方式，學習太空科學知識

企業配合款支助，節約國家開銷

以下為各集單目內容：

2014/8/31 播出「人造衛星怎麼轉彎」

這個單元的重點，在介紹人造衛星次系統中，協助衛星進行姿態控制的「慣性輪」。實驗用利用陀螺來說明角動量，再配合轉動中的車輪來改變受測者方向，讓大家了解人造衛星姿態控制的科學原理(圖1)。

圖1：人造衛星怎麼轉彎節目片段

2014/9/7 播出「自製神奇水火箭」

本單元的設計重點，在於介紹火箭的燃料特性與點火原理，同時配合利用保特瓶自製水火箭的DIY教學，讓觀眾們可以在家中自製水火箭，進而了解其中斜向拋體的物理原理(圖2)

圖2：自製神奇水火箭節目片段

2014/9/28 播出「光的折射與太空的關係」

我國福爾摩沙衛星三號的所使用的掩星觀測原理，與電磁波從真空中進入大氣的折射有關。本單元利用光線在空氣與水中所產生的折射現象，讓觀眾了解我國氣象衛星的觀測原理(圖3)。

圖3：光的折射與太空的關係節目片段

另外還有三個太空Q&A問答

2014/10/12播出「太空問答台灣有幾個衛星」

圖4：「太空問答台灣有幾個衛星」節目片段

2014/10/19播出「太空問答福衛二號的功能」

圖5：「太空問答福衛二號的功能」節目片段

2014/10/26播出「太空問答福衛三號的功能」

圖6：「太空問答福衛三號的功能」節目片段

在活動方面

活動辦理方式

於各場活動規劃初期，同時詢問北、中、南、東各地區學校合作意願後，以海報(圖7)與網路同時進行宣傳，配合合作校方宣導，吸引同學報名參加。

以下針對各活動內容進行介紹

【太空火箭-飛天火箭我最準】

包含了「作用力與反作用力」、「斜向抛體」、「空氣壓力」等相關物理知識。競賽將由自然素養課程中教導同學們火箭發射時之相關物理知識，並配合實驗進行講解，讓學員們確實了解水火箭所代表之「斜向抛體」物理知識。然後依活動場地現況安排水平射準或固定高度射準等比賽項目，參賽同學動手調整水火箭之空氣壓力與傾角，完成比賽。

圖7：太空火箭活動花絮

【人造衛星-轉轉陀螺儀我最久】

這個主題將以人造衛星運行於地球軌道時的力學原理為重點，主要涵蓋與「圓周運動」有關的「地心引力」、「向心加速度」，以及與人造衛星姿態有關的「轉動慣量」、「角動量」、「角動量守恆」等原理，教導同學們轉動慣量與陀螺儀之原理，以及陀螺儀在人造衛星上之應用。利用光碟片、鉛筆或其他可作為轉軸的物品、雙面帶、螺絲帽與其他所需要工具，製出可以轉的最久的陀螺儀。

圖8：陀螺儀活動花絮

【我的太空任務】

讓學員們體驗太空人工作與生活的情形。活動現場將由專業講師，講述太空人在太空環境生活所面臨的種種不便與危險。學員利用主辦單位所準備的厚手套、厚靴子及機械手臂等裝備，在限定時間內完全指定的模型製作或其他任務。

圖9：我的太空任務活動花絮

為配合科博館來館民眾分佈在不同的年紀層，避免因為實驗過於困難而讓年紀較小的民眾無法參與，因此針對科博館場次特別增加以下兩項娛樂性較高、但與太空科學關聯較為簿薄弱的實驗，以增添活動的豐富感與趣味性。

【白努利的UFO】

活動現場將由專業講師解釋如何利用白努利定律應用在生活周遭，並讓民眾利用升力讓乒乓球如同太空人漂浮過關斬將平安抵達目的地。

圖10：白努利的UFO活動花絮

【外星人來襲-沉浮火星人】

活動現場將由專業講師解釋重力、浮力、水壓相互會產生什麼不同的影響，並讓民眾利用自已的力氣改變瓶中的體積讓在瓶中的火星人都沉下來吧！

圖11：外星人來襲-沉浮火星人活動花絮

以下針對各場次進行介紹

台中場

地點：國立自然科學博物館地球環境廳1F

時間：2014/10/25 13:00-16:00

活動內容：

本次活動與國家太空中心所舉辦「守護台灣觀照世界福衛二號10週年巡迴展」，同時於國立自然科學博物館館內舉行，本場次為計畫中參與人數最多的一場。活動場地位於科博館館內，開放所有館內民眾參加，因此無法對參加對象身份與年紀做限制。民眾拿闖關卡(圖13)，上面有五個闖關蓋章處，五個關卡分別是「太空火箭-飛天火箭我最準」、「人造衛星-轉轉陀螺儀我最久」、「太空人-我的太空任務人」、「外星人來襲-沉浮火星人」、「白努利的UFO」。每一個關都會有對應的任務，任務達成可獲得一個太空章，集滿五個太空章，即可到第三特展室「守護台灣觀照世界福衛二號10週年巡迴展」展示區，兌換國家太空中心所準備的小禮物。本場次除了可以讓民眾們學習到計畫中所要傳遞的各種太空科學知識，也能同時認識福爾摩沙二號衛星的各項貢獻。