2013 年第十屆國際國中科學奧林匹亞競賽－實驗測驗

(1)

2013 年第十屆國際國中科學奧林匹亞競賽

一實驗測驗

國立臺灣師範大學科學教育中心

稱

小位移時，

實驗 A( 此實驗分為三部分)

一個單擺包含一個質量為 m 的質點，懸掛於一長度為 l 的無質量細繩，繩之另一端固定於 O 點。偏移平衡點(見下圖)小位移之後，質點 m 作簡諧運動，其週期 T (來回擺一灰)為: DNA 可從多種植物中萃取出來，而麥芽是極佳的 DNA 來源。以下方框內之實驗操作已為你完成。 T= 說其中 g 為重力加速度。

O

A

v

m

單擺

-

40-~~

\ h

1 、可

:6

mg

實體擺小幅擺動更常見的情況為實體擺為複擺。我們可以描述質量為 m' 任意意形狀與大小剛體的運動。其轉軸為 O( 稱為“懸掛點" ，如上圓所示)。此一質體擺作簡諧運動，其週期為:

T=2πμL

Vmgh

此處 l。為繞著通過懸掛點轉軸的轉動慣量 'h 是懋掛點與重心(CG) 的距離，而 g 是重力加速度。轉動慣量 (10) 是物體抗拒轉動改變的特

性。它取決於於轉軸而定，也取決於形狀。

(2)

就質點 m 而言，轉動慣量 I。為 1

₀

=

mr

2

,

其中 r 是質點與轉軸的距離。本實驗考量一片質量為 m 的三角形，平行於其平面振動。其繞著通過懸掛點 0 的轉軸之轉動慣量為:

1

=

m

(K

2

+

h

2)

,

其中 K 稱為迴轉半徑。實體擺的週期為

T

=

27[.旦旦i

V

gh

週期也可記做T=2方.Ii

Vg

,

2 其中 L= 了 +h 稱為等效單擺的擺長。

在 co 的另一側(於 O 與 co 連線上) ，與

co 相距 h 子的另一點 S 稱為擺動

點"。繞著懸掛點。的振動，因此與集中所有質量於 S 之單擺等效。

Al

:決定一片三角板A 的重心

【步歸】

l

把三角板 A 以三個角落的孔洞之一，懸掛在支點桿(安裝在固定座) 上(如下圖)。

A

、b

PENDULUM ASSEM8LY 【器材表】數量固定座三角板支點桿，合作為懸掛點的尖角邊鉛鍾線直足碼錶(與實驗 B 共用同一碼錶)

A

G

3

(3)

科學教育月刊第 373 期中華民國 103 年 10 月 2. 確認懸掛的板為靜止。將鉛鍾線末踹圈套掛於支點桿(如上圓所未)。運用直足與鉛筆，在板上沿鉛鍾線畫記一直線。 3. 以板上不同孔洞懸掛，重複以上步聽。兩線的交點即為 CG 。將其以鉛筆畫記“ X" 於板上。在印有三角板的大張紙上(已給你)

,

記兩直線與“ X" 點。標識此大張紙為 Sheet 1 。並請在 Sheet I 上，寫下所有組員編號 (TD) 以及國碼

(Country Code)

(A-旬， 1 分) 4. 以板上另一孔洞懸掛，重複步聽 l 到 2 。此線亦通過 CG 0 也在 Sheet I 上畫記此直線。

【注意】

正確的決定 CG 非常重要，因為此處的小誤差會導致測量 h 與之後應用的的誤差。 A2: 記錄不同懸掛點的振動週期

【步聽】

l

通過孔洞 HI 以支點桿懸掛三角板。確認板盡量位於支點桿的中點，並懸於尖角邊上(如右圍所示)。這步驟很重要，可降低振動阻尼，以減小測量振動週期的誤差。注意:測量距離時，都從孔洞之上緣測量起。 2. 測量孔洞 HI 與之前畫記的 CG 之間的距離 b 0 (距離從孔洞 HI 之上緣測量起)。記錄於黃色答案卷中的表

42 -Table

A.I 。

3

使板擺動(小幅度) ，確保盡量於板平面上擺動。 4. 以碼錶'測量擺動 50 次的時間。重複三次，並將讀數記錄於黃色答案卷的表 Table A.I 之中。 5. 以孔洞 H2 、 H3 與 H4 懸掛，重複以

上實驗。

(A-Q2 ，

4 分)

(4)

A3: 目的一分析以上數據，並決定

的重力加遠度; b) 繞通過 CG 量直於三角板的軸，板的迴轉半徑; c) 對應於兩個懸掛點的擺動點相對世 CG 的位置; d) 相對於此二個擺動點之的兩個等敗單擺之擺長。【步歸】

卜利用表 Table A.l 的數據，繪製 hT

1

(y- 軸單位 ms

2

_{) 對 h1(x- 軸單位 m}

2

_{) 的}

數據點於黃色答案卷之繪圖紙 (Grid

1)

0

(A-Q3

,

2 分) 2. 依據數據點繪製一條(最佳)直線，並

決定其斜率 S '以及 y- 截距 c 。

利用 s 與 c 之值，以及實體擺的週

期公式，決定重力加速度 g 值以 ms·

2 為單位，以及 K 值以 m 為單位。記錄 s 、 c 、 g

與

K 之數值於黃色答案卷之衰 Table A.2 之中。 (A-Q4 ， 3 分) 3. 依據孔洞 HI 與 H4 數據，分別計算對應之擺動點相對於 CG(h ')的位置。記錄於黃色答案卷之衰 Table

A.3 之中。在大張紙上 (Sheet 1) 上，

分別畫記與 HI 與 H4 的對應之擺動點，並分別標記 Jl 與 J4 。 (A-Q5 ， 3 分) 4. 分別決定對應於懸掛點 HI 與 H4 的等效單擺之擺長 (L) 。記錄於黃色答案卷的表 Table

A

.4

0

(A-Q6

,

1 分)

實驗 B:

Milk

Bl

:牛奶的緩衝能力印度是世界上產牛奶最多的國家之一，主要歸於其世界最龐大的農業發展計畫一一“洪水計畫" ，為 Vergbese Rurien 博士發起和執行，由於這個十億萬升產奶量的構想，所他被稱“白色改革之父"。牛奶可以提供許多的養分，其成份有 87%的水，其餘 13%是懸浮或溶解在水中的固體，包含蛋白質 (3.5 %)、碳水化合物

(4.7

%)、脂肪(4.0 %)和維生素/礦物質(0.8 %)。在牛奶中，主要的糖是可溶於水的乳糖，牛奶脂肪是以球蛋白的形式在水中乳化，而最豐富的蛋白質是酪蛋白(caesin)

,

以懸浮的微粒存在，稱為“酪蛋白微包"

,

每個微包含有數千個酪蛋白分子，微包間以鈣連在吉。酪蛋白微包和脂肪球蛋白使牛奶呈白色，可偏折人射光。牛奶略呈酸性， pH 值在 6 .4 -6.8 '當 pH 值降至 5.0 時，牛奶會凝結，在此 pH 值下，酪蛋白分子故此凝結而產生沉澱。已知牛奶具有很好的緩衝能力。【器材表】

標示

數量 2.5%牛奶

Milk

100 ml

(有紅色瓶蓋的罐內) 3%(w/v) 的酷

AA

10 ml

酸溶濃 (AA 樣品瓶內) 3%(w/v) 的碳

SC

10 ml

酸納溶液 _{(SC 樣品瓶內)}

(5)

科學教育月刊第 373 期中華民國 103 年 10 月

標示

數量瓶裝水

Water

_(水瓶內)

1000 ml

100

ml 玻璃燒杯

W

,

2 Exp

20

ml 有刻度的注

A

射筒

1

ml 有刻度的注射

B

,

C

2

筒 pH 試紙;範闇 :pH

2

2 本至 10.5 洗 j條瓶玻璃棒衛生紙和廢棄物筒各 1 個

【實驗步 WJ:

1.取 W 玻璃燒杯裝水，由水瓶倒水，直至大約裝滿。 2. 用 A 注射筒，取 40 ml 水，置人 Exp 燒杯內。 3. 測量 Exp 燒杯內水的 pH 值:將 pH 試紙沾人 Exp 燒杯內水中數秒，然後取出試紙，觀察其顏色變忙，對照 pH 值試紙本上的顏色圖，判續水的 pH 值，將其 pH 值填人黃色答案紙的格子內。 [B.Q 1. A:

0.25 marks]

4. 測量 SC 樣品瓶內碳酸納溶液的 pH 值，將其 pH 值填人黃色答案紙的格子內。 [B.Q1.B:

0.25 marks]

5. 用 B 注射器，取 0.1 ml 的碳酸室內溶液，加人 Exp 燒杯的水中，用玻璃棒充分攪拌後，再使用 pH 試紙測量其 pH 值，將 pH 值填人黃色答案紙的觀

-

44-察表 Table B.l 上。

6

繼續每次加人 0.1 ml 的碳酸納溶液，再測量、記錄其 pH 值，直至溶液的 pH 值到達 10 '將每次測量的 pH 值填人黃色答案紙的 Table B.l 上。

[B.Q2:

1. 0 markl

7.

用洗 j條瓶將 Exp 燒杯和玻璃棒洗乾淨，再用衛生紙擦乾。 8. 用 A 注射筒，取 40 ml 的水，置人洗淨的 Exp 燒杯內。

9

測量 AA 樣品瓶內醋酸溶液的 pH 值，將其 pH 值填人黃色答案紙的格子內。 [B.Q 1. C:

0.25 marks]

10. 使用 C 注射筒，取 0.1 ml 的酷酸溶液，加於 Exp 燒杯的水中，用玻璃棒攪拌充分後，再用 pH 試紙測量其 pH 值，將 pH 值填人黃色答案紙的 Table B.l 上。 11 繼續每次加入 0.1 ml 酷酸溶液，再測量記錄其 pH 值，直至溶液的 pH 值到達 4 ，將每次測量的 pH 值填人黃色答案紙的格子內。 [B.Q2:

1. 0 mark]

12. 再將燒杯和玻璃棒洗乾淨。 13. 用 A 注射筒，取 40 ml 的牛奶，置人洗淨的 Exp 燒杯內。 14. 用 pH 試紙測量牛奶的 pH 值，將其 pH 值填人黃色答案紙的格子內。

[B.Q

1.D:

0.25 marks]

15. 用 B 注射筒，取 0污 ml 的碳酸納溶液，加入 Exp 燒杯的牛奶取〈用玻璃棒充分攪拌後，再使用的 pH 掛紙測量 pH 值，將其 pH 值填人黃色答歹

(6)

紙的觀察表 B.2 上 16. 繼續每次加人 0.5 ml 碳酸納溶液，再測量記錄 pH 值，直至牛奶的 pH 值到達 JO 。 17. 將每次測量的 pH 值，填人黃色答案紙的觀察表 B.2 上。 [B.Q3:

1. 0 mark]

18. 將 Exp 燒杯和玻璃棒洗淨，直至沒有上次實驗殘留的溶液，再用衛生紙擦乾。 19 用 A 注射筒，取 40 ml 的牛奶，置人洗淨的 Exp 燒杯內。 20 使用 C 注射器，取 0.5 ml 的酷酸溶液，加人 Exp 燒杯的牛奶中，用破璃棒充分攪拌後，再用的pH 試紙測草 pH 值，繼續每次加人0.5 ml 的酷酸溶液，再測量記錄其pH 值，直至牛奶的 pH 值到達 4 21 將每次加人酷酸溶液後的pH 值，填人黃色答案紙中的觀察表Table

B.2

上。 [B.Q3:

1. 0 mark]

22. 將 Exp 燒杯和玻璃棒洗淨，用衛生紙擦乾，待以下的實驗使用。【問題】根據觀察表 Table B.J 和 B.2 的結果，在黃色答案紙上回答以下列問題的敘述是正確 (T)或是錯誤。)。 a). 將牛奶的 pH 值降低至 4 所需的酷酸溶液，多於將水的pH 值降低至 4 所需的酷酸溶液。 b) 將牛奶的 pH 值提高至 10 所需的碳酸室內溶液，少於將水的pH 值降提高至 10 所需的碳酸納溶液。

[B.Q4:

1. 0 mark]

牛奶和水分別加人酷酸後，所形成的牛奶溶液 pH 值變他比較小，具有較高的緩衝作用，主要因為牛奶中的成分有下列哪一項作用? a) 負電荷一陽極 b) 抑制所形成溶液增加的『濃度 c) 減少所形成溶液的 CH

₃

COO-離子

濃度

將正確的答案填人黃色答案紙的適當空格內。 [B.Q5:

1. 0 mark]

B2: 牛奶蛋白質之酵素消化牛奶蛋白質經過膜蛋白酪(一種蛋白酵素)消化後，測量其緩衝能力的改變。將膜蛋白酪添加在牛奶中，會消{七、破壞酪蛋白的成份，造成牛奶轉變為透明，測量牛奶變為透明所需的時間，可以得知其反應速率。在此測量實驗中，將使用測光二極體，測光二極體是將光轉換為電流，再使用三用電衰測量。實驗中也將使用發光二極體(LED)作為光源。【器材表】

標示

數量電源供應器 500mA， 3V 附有測光二極體的壓克力裝置(在第 8 頁) 白光的 LED 三用電表

(7)

標示

數量

標示

數量試管

_ED

_{有刻度的注射筒(12ml)}

_W

牛奶同實驗 Bl 碼錶膜蛋白酪

_TE

在 5ml 的試管內滴管水同實驗 Bl 貼紙有刻度的注射筒(I

mt)

TE

注意:自光的 LED 有白色基座，藍光的LED 是有顏色基座。將此處鈕轉至測量電流的適當範圍，最小的電流範閻 2μA· 最大的電流範圍 IDA 。若數字顯示為-1 '表示所選的範圍太小，將旋鈕轉至較大的電流範圍，若電流範間太大時，則精確度較低。他驗不用 A-V-與 Q 測量電壓時，轉隨鈕至在此範圈。

'

ar

---」刷

Q JW

流

-AA

心﹒+

電一

量-也 Mm-

λ企

使用的三用電表，可能是黃色或黑色。

-

46-f

(8)

碼錶

l 按 MODE ，選擇碼錶在計時功能 (Stop

Watch

Mode)時，顯示 0:00:00 。 2 按 SP LiT/ RESET 鈕，可將碼錶計時歸零。 3 按 START/STOP 鈕，可開始計時。 4 按 START/STOP 鈕，可停止計時。 5 開始計時後，可重覆多次按START/STOP 鈕，停止計時或開始按計時。【實驗步w 】: I.如上圖中，將白光的 LED 裝在壓克力基座之固定側板的孔中，可用所提供的貼紙，將 LED 貼牢。 2. 將 LED 較短的腳連接至電源供應器的黑色電線，而較長的腳接至電源供應器的紅色電線，按下開關，LED 會

發光。

3

將三用電衰設在測量電流的功能，電流範圖為 2 rnA 。 4. 將壓克力基座上測光二極體的之電線連接至三用電衰。 5. 用 W 注射筒，取 10

ml

水，加人 ED 試管內，用衛生紙將 ED 試管外的水完全擦乾，然後將其插人壓克力基座上的試管孔中。

6

確認 LED 光能穿透試管中的水，而且能到達測光二極體上，旋轉試管使 LED 光不會被試管上的標示阻擋。 7. 小心地前後移動調整測光二極體和試管座的位置，使三用電衰的電流讀數達最大值，記錄最大電流值 (Iw) 於黃色答案紙上。 IB.Q6:

0.5 mark)

注意後績的實驗，記錄電表讀數時，要保持測光二極體和試管在原來相同的位置。 8. 從壓克力基座取出試管，倒出試管中的水。

9

用 W 注射筒，加 5 ml 水於 ED 試管中，再加人 5 rnl 牛奶，輕敲試管，使溶液充分混合均句，用衛生紙將試管外的水完全擦乾，小心地將試管插

(9)

科學教育月刊第 373 期中華民國 103 年 10 月人壓克力基座上的孔中，記錄電流

( /0)

，並寫在黃色答案紙上。[B.Q6:

0.5 mark]

10. 準備好碼錶，等待開始計時。 1 1.利用 TE 注射筒，取 1 ml 的膜蛋白醋，加入於試管的牛奶中，立即用塑膠的滴管攪拌，保持試管在原來(讀取電流時)的位置。 12. 立即按下碼錶，開始計時。 13. 每 15 秒讀取電流，將其記錄在黃色答案紙的 Table

B.3

14 持續讀取且記錄 7 分鐘內的電流。

[B.Q7: 2.0 marks]

15. 倒掉溶液並清洗試管。【作圖】: 在所提供答案紙的方格紙上，將所記錄的電流對時間作圖。 [B.Q8:

3.5 marks]

【問題】: 在所作的圖上，標示K 點代表酪蛋白濃度最高的點、標示 L 點代表酪蛋白濃度最低的點、標示 M 點代表酪蛋白濃度減少至一半的點(在濃度最高與最低值之間)0

[B.Q9:

1. 0 marks]

若增加的電流與被消他酪蛋白的量成正比，當電流連最大值時，表示酪蛋白完全被消他，從所作的圖上，找出消他50%酪蛋白所需的時間。 [B.QIO:

1. 0 marks]

B3

:估算牛奶中的鈣含量牛奶中的鈣含量可以使用 NazEDTA 的試劑滴定估算，無論金屬離子的電荷數

48 -多寡， Na2EDTA 與金屬離子以1: 1 的比例

反應，用於此類滴定的指示劑稱為金屬離子指示劑，在此實驗使用的指示劑是

Ericbrome black T

(EBT) 。【器材表】標記 _數量膜蛋白酪處理後的牛

CM

裝在 100

ml

奶圓錐量瓶內水同實驗 Bl 100ml 玻璃燒杯

HM

10ml 有刻度注射筒

CM

100ml 錐形瓶

HM

pHI0 緩衝溶液

BF

3 個有螺紋蓋 5ml 試管中滴管 EBT 指示劑

EBT

滴瓶在架上的 25ml 滴定管 Na2EDTA)容;夜

EDTA

80ml(在塑膠

(O.0027M)

瓶內) 漏斗【實獻步聽】: 1.用漏斗將 Na2EDTA 溶液加人滴定管中。 2. 在黃色答案紙的 Table

B.4

'記錄滴定管中溶液的最初讀數。

3

用水稀釋裝在 CM 圓錐量瓶內膜蛋白處理後的牛奶，直到瓶頸的刻度位置。蓋住瓶塞，搖動瓶子，直至溶液均句。 4. 將上述的均句溶液倒入 HM 燒杯。 5. 用 CM 注射筒，取上述 10 ml 的均句溶液，加人 HM 錐形瓶中。 6. 用 W 注射筒，再加人 10 ml 的水。 7. 然後再倒人一支 BF 試管的緩衝溶液。

(10)

8. 從滴瓶加人 5 滴 EST 指示劑，溶液顏色將轉為紅色(粉紅偏是工)。 9. 以在滴定管中的 Na2EDTA' 滴定在 HM 錐形瓶中的溶液，直到溶液顏色先變為紫色，再變為藍色(即是滴定終點)。 10. 在黃色答案紙的 Table

B.

4 上，記錄滴定管中溶液的最終讀數。 1 1.再重複兩次滴定。 12. 將其讀數分別記錄在黃色答案紙的

Table

B.

4 上。 13. 計算滴定卜 II 、 III 三次滴定所消耗的體積，將其數值填人黃色答案紙的

Table

B .4上。 14. 計算的其平均值。

[B.Qll:

3.5 marksl

【問題】:

求出每 10 ml 稀釋溶液之中的 Ca2+含量，

以 mg 為單位( Ca 原子量是 40)0IB.Q12:

3.5 marks]

實驗 c: 番茄

本實驗要自番茄中萃取出茄紅素

(l

ycopene)

，並探討其吸光值。

番茄是義式諂餅的主要成分之一，其中的茄紅素及科胡蘿蔔素均為有益健康的抗氧化劑，它們可溶於油但不溶於水，因此世界上有許多地方會用油來烹煮番茄，每公斤紅番茄中可含有多達50 mg 的茄紅素。為了檢測紅番茄中的茄紅素，會將番茄原液，溶入由石油酷和乙醇所調製成的萃取溶劑內，再讓其靜置，會分離出含有茄是工素的溶液，最後呈現出不相溶的二層液體。小心的移出上層液體，再利用鎮鹽進行脫水處理(鎮鹽在自然狀態下會帶有

水分)

【器材表】標記 _數量番茄原波

_TP

在 50mL 燒杯中萃取溶劑

ES

(20mL)在 50mL 試管中無水硫化鎮

MgSO

(1.

5

g)在一塑 4 膠容器中氯他納

NaCl

在一塑膠容器中附塞子的試管

FL

試管

_Ab

_,

_UL

₂

漏斗玻璃棒

濾、紙

3

12

mL 針筒

SS

洗游瓶白光 LED 與測光二極體的壓克力設備

50

!TI L 燒杯

SS

試管架藍光 LED 放在袋內供試管使

Collar

用的壓克力套環滴管一用電表與實驗 B 共用同一電表

(11)

科學教育月刊第 373 期中華民國 103 年 10 月【實驗步歸】: 1.使用與實驗 B 第二題相同的 LED 和壓克力設備，將臼光 LED 及測光二極體分別插入其對應的孔洞中。 2. 用滴管將標示為 ES 試管中的溶液，滴人標示為 Ab 的試管內，至半滿為止。

3

使用所提供的壓克力套環，將試管 Ab 放人壓克力設備內，如此試管會位於 LED 及測光二極體間(如圓所示)。 4. 調整測光二極體及試管的位置，使得與測光二極體相接的三用電表上，可測得自測光二極體傳來的最大電流值。(如實驗 B: 82 所示) ，要確認標貼不會阻礙光線。 5. 測量出最大電流值 (ι) ，將之記錄在黃色答案卷上的表C. l 0 6. 在不會更動試管架及測光二極體的情況下，將白光 LED 更換為藍光 LED ，測量出最大電流值，將之記錄在黃色答案卷上的表C. l 。 7. 將所有溶劑倒回試管卦。注意:不可更動測光二極體及壓克力架的位置，這對後續數據的判讀極為重要。按下列指示自番茄原液中萃取出茄紅素

8

將標示為 ES 試管內的所有溶劑，倒人標示為 TP 燒杯內的番茄原液內，用玻璃棒將其充分攪拌，將其靜置 2-3 分鐘，將玻璃棒沖洗乾淨，以供後用。 9. 小心的利用漏斗及濾紙，將溶液過濾至標示為 FL 的試管內，其中呈紅色

-

50-的澄清液，為含有茄紅素的初萃液(未經純化)。 10. 調配氯他納(NaCI)的飽和溶液:用標示為 SS 的針筒自燒杯中，取出約20 mL 的水，注人氯他納的容器中，用玻璃棒充份攪拌後，應會有未溶解的氯化室內殘留。 1 1.用標示為 SS 的針筒將 10 mL 氯他訥飽和溶液，注人含有茄紅素萃取液的試管 FL 內，蓋上塞子後輕靠地搖晃。 12. 將試管放在試管架內，靜待其分為兩層，這過程需時約 l 分鐘。 13 用塑膠滴管，小心地將所有(帶有顏色)的上層溶液，移至標示為UL 的試管內。 14. 將標示為 MgS0

₄

溶器中的所有 MgS0

₄

倒人試管 UL 內，輕柔地搖晃，使水分被鹽類所吸除。 15. 試管 UL 內的黃紅色溶液，便是你(純他後)的茄紅素萃取液。現在開始進行溶劑及茄紅素萃取液的吸光值之比較: 16. 將試管 UL 放人壓克力裝置內。 17. 使用藍光 LED ，測量三相電表上呈現的電流值 I ， '將數值記錄於黃色答案卷上的表C.l 0 18. 將藍光 LED 更換為自光 LED 。 19. 測量最大電流值，將之記錄在黃色答案卷上表 C.l 的相應欄位中。 20 求出各事件中的透光百分比。

(C.Ql

:3.5 分)

(12)

【問題】: 假如將位在 LED 及測光二極體間的試管 Ab( 內含溶劑)移開，

I)

測得的電流值會較 Is 為小 II). 測得的電流值會較 [s 為大 III). 測得的電流值會與Is 相同將正確答案，記錄在黃色答案卷上的相應欄位中。下列哪些是根據本遁光實驗的觀察，而作出的推論。是的以 (Y) 表示;不是的以(的表示，寫在黃色答案卷上 a). 相對於可見光譜的其他部分，茄紅素吸收更多藍光。 b). 茄紅素傾向吸收光譜中的紅色及黃色部分 c). 茄紅素是一種抗氧化劑 d). 與光譜中的藍色部分相比，對紅色及黃色部分的吸收較少 e) 與紅光相比，藍光對溶液的通過較佳。 η. 茄紅素對光譜中各種色光的吸收均相同。