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2011 年第八屆國際國中科學奧林匹亞競賽一一實驗試題

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Academic year: 2021

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(1)

一一實驗試題

國立臺灣師範大學科學教育中心

實驗一:化學物質和溫度對甜菜根

(Beta

vulgaris) 破壞細胞

膜與通透性影響的檢測

總時間 :3.5 小時

本操作總分:13 分

【簡介】 細胞膜主要由有助於選擇性通逅的 磷脂質和蛋白質所組成。細胞膜的功能和 滲透性取決於它的完整構造。當細胞受到 破壞時,細胞膜的通遁性瓦解,細胞內合 物會流出。細胞膜會受到物理傷書、化學 物質和高溫的破壞。甜菜根含有一種紅色 色素稱為甜菜紅素(betacyanin) ,它位於甜 菜根細胞的大型液泡內。液泡條由單層細 胞膜所聞成,稱為液泡膜(tonoplast) 。 甜菜紅素(Betacyanin)會保持在完整 細胞的液泡內。不過,如果細胞膜受到破 壞,甜菜紅素(Betacyanin)將會流出並使其 浸泡水染成紅色或深粉紅色。本實驗將用 到切好的圓柱形甜菜根。切好的圓柱形甜 菜根已經過重複沖洗,直到沖洗的水呈現 無色的狀態為止。 【器材】 1.己用蒸餾水清洗過的一段甜菜根(直徑 l 公分,長 4 公分)。 2. 標示 TTl , TT2和 TT3的試管各一

支。

3. 含有蒸餾水、環己院和一段甜菜根的試 管 l 支,標示為 TT4 。該管像前一晚所 準備,且已搖晃過。 4. 試管架。

5.

8

ml 蒸餾水 l 瓶。

6.

8 ml

50% 丙間 l 瓶。

7.

8 ml

100% 丙蚵 l 瓶。 8. 標示 TT5 和 TT6 的試管內裝 8

ml

5M

(mol/dm

3

) 的食鹽水(NaCl) 。

9. 紙巾。 10. 繪圖紙(graph

pa per)

I 張。 【實驗步聽】 1.遵照衰 1 f蒂安 TTl , TT2 和 TT3三支試 管。 表 1 :三支試管內的溶劑 試管 試管 l 試管 2 試管 3

(TTl)

(TT2)

(T

T3)

8ml

8ml

8ml

溶劑 蒸餾水 丙闢

50%

100%

丙間

2.

用紙巾擦乾三支甜菜根。

3.

立刻在 T叭, TT2 和 TT3試管中分別 放人一根擦乾的甜菜根。

4.

每隔五分鐘搖晃 TT1 , TT2 和 TT3試

(2)

管約幾秒鐘。

5

,

參考實驗室內的時鐘,於 1 5 分鐘後, 觀察每一支試管所合溶液的顏色。

6

,

擦乾另外二支甜菜根,並分別稱重到 小數點第三位。將重量記錄於答案紙 的節 D 第 l 題 [Section

D

(i)] 的表格 上。

7

,

在 TT5和 TT6 試管分別放人 1 支甜 菜根.。

8

,

經過 1 小時以後,取出 TT5和 TT6 的甜菜根,擦乾並稱重。記錯並計算 重量的差異,以完成節 D 第 i 題

[Section

D

(i)] 上的表格。 【問題】 節 A

(SECTION

A)

a

實驗一開始,泡有甜菜根(已洗過)的蒸 餾水是無色的,為什麼?指出下列敘述 正確或錯誤,在答案紙上適當的空格內 打鉤。 (O , 25x3=O , 75 分) 甜菜紅素(

Betacyanin

)不溶於水。 I

I.

甜菜紅素 (Betacyanin) 只會溶解於 有機溶劑。 II I.反覆沖洗後,受傷的細胞已無殘留 甜菜紅素(

Betacyanin)

,而且也無 進一步的細胞膜破裂。 b ,哪一支試管是對照組(control)?在答案 紙上選擇最正確的答案打鉤。 (0 , 5 分) c ,觀察試管 TT2 和 TT3 '何種溶劑溶解 較多甜菜紅蒙 (Betacyanin) ?在答案 紙上選擇最正確的答案打鉤。 (0 , 5 分)

d

,

TT4 試管內那一層是水?在答案紙上 選擇最正確的答案打鉤。(0 , 5 分)

e

為何 TT4 的液體分層中有一層有顏色, 而 TTl 的液體則沒有?指出下列敘述 為正確或錯誤,在答案紙上適當的空格 內打鉤。 (0 , 5

x3

=1. 5 分)

i

,

TTl 試管內沒有進一步的細胞膜破 裂。

ii

,

TT4 試管內的環己院破壞了細胞 膜,導致甜菜紅素(

Betacyanin)

的流出。

iii

,

TT4 試管內的環己院將細胞膜的脂 防溶解 ' 導致甜菜紅素

( Betacyanin

)的流出,而甜菜紅 素 (Betacyanin) 僅溶於水。 富有 8

(SECTION B)

f.

在一週前,有一個實驗,其目的在檢定 溫度對甜菜根的細胞膜構造及通透性 的影響。清洗過的圓柱型甜菜根被放 人含有蒸餾水的試管內,然後分別在

20

o

e

,

30

o

e

,

40吧, 60oe 和 800e 的環境 中放置 1 5 分鐘。之後,每支試管內的 溶液都在 605 nm 波長下測定吸光值 並記錄下來。室溫的蒸餾水當作零 (blank) 。本測定重複三次,且數據記錄 在下面的表 2 。吸光值是指光線被樣 品吸收的測量值。樣品的顏色越深,吸 光值越大。 參考本題 (η 前述短文及下面的表 2 '在 答案紙上完成下列小題的要求。

(3)

表 2: 溫度對甜茱根細胞朕通造性的影響 吸光值 (Absorbance)

溫度

Temperature)

樣品 樣品 樣品

(OC)

Sample) Sample) (Sample)

A

B

C

20

0.017

0.011

0.021

30

0.023

0.013

0.024

40

0.018

0.025

0.032

60

0.384

0

.4

74

0

.4

92

80

0

.477

0.525

0

.4

63

i

在答案紙所提供的空白處,繪製一 個表格,以記錄及顯示每個溫度所 測得吸光值的平均值(計算到小數 點第二位) 0

(0.25 x 5 =

1. 25 分) 11 依據吸光值的平均值,哪一個溫度 變成明顯 (become evident) 破壞細 胞膜?於答案紙上寫下你的答案。 (0.5 分) 川在繪圖紙 (graph paper) 上將吸光值 的平均值轉他成折線圖,以顯示溫 度對甜菜根細胞膜通造性的影響。 可用中文標示你的統計圖。 (2.5 分) 節 C

(SECTION C)

g.

TT2 和 TT3(最初的實驗)的溶液吸光度 平均值分別是 0.084 和 0.054 。指出下 列敘述正確或錯誤,在答案紙的空格 裹,正確寫 T ,錯誤寫 F 。 甜菜紅素(

Betacyanin

)在純水中 會有最大的溶解度。 11 甜菜紅素( Betacyanin) 在 100%的 丙間中比在 50%的丙聞中較容易溶 解。 (0.5

x

2

=

1 分) h. 從甜菜的這些實驗中所得的資料顯 示,哪些溶劑可溶解甜菜紅素

(Betacyanin)

?

選出正確的答案,在答案紙上的適當空格 內打鉤。 (0.5 分) 環己院 室溫的水 熱水

(Cyclohexane)

(Room

(Hot

te mepre)rature

water)

wat

節 o

(SECTION

D)

I. 照實驗步聽(8)的要求做。 (0.25x6= 1. 5 分)

J.

基於一般的知識、觀察 TT5和 TT6 的實驗結果,在答案紙上指出下列敘 述正確或錯誤。 (0.5 x

4

= 2 分) NaCI 會導致甜菜根細胞的質壁分 離 (plasmolysis) 。 II NaCI 會溶解細胞膜上的脂防。 111 甜菜根細胞會吸收 NaCl ,而且變 得膨脹。 IV 甜菜根細胞的甜菜紅素(Betacyanin) 會流失到外界的水中。 實驗二:燃料的能含量 總時間: 3.5 小時 本操作總分: 13 分 【引言】 乙醇 (ethanol)是很重要的他學品,它

(4)

廣泛地使用在各種工業中。它是製造各種 日用品的重要原料,例如是醫藥、塗料、 墨水、清潔劑、他妝品、特殊化學品及一 些飲料等。乙醇也可作為運輸用的替代燃 料。生質柴油 (biodiesel)是多種長鏈碳氫分 子的混合物,通常是甲基、乙基或丙基醋 類。生質柴油可用在標準的柴油引擎或作 為熱油 (beating oil) 的低碳替代品。在某些 國家,乙醇被用作汽油的添加物(酒精汽油) 或汽油的替代品,而生質柴油被用在各種 柴油車或引擎中。這兩種化學品都可從可 再生的原料製得,例如乙醇可從甘煎而生 質柴油可從高產童的種子油,如龍麻油、 白油桐 Uatropha) 油或棕擱油製得。使用可 再生的原料是幫助減緩氣候改變影響的許 多建議策略之一,也在國家的層級上朝向 永續的成長與發展。 在本實驗中你要測量乙醇和生質柴 油的燃燒熱來比較它們能量的含量,以 kJ g-I 表示。為了要得知燃燒熱,首先要燃燒 定量的乙醇或生質柴油放出的能量來加熱 定量的水,由觀察水溫的變化,用下列公 式,可以得知轉移到水中的熱量:

q

=

Cp·rn·

t,t

其中 q 是轉移的熱量, C

p

是水的比熱

(specific beat capacity)'

m 是水的質量而6t

是水的溫度變化。最後用從所燃燒掉的燃 料量可以計算出燃燒每一公克燃料所放出 的熱量。 【目的】 在本實驗中,你需要: 比較生質柴油和乙醇的燃燒熱。 計算兩種燃料的燃燒熱及它們的百 分效率。 【器材】 兩個小油燈、玻璃攪拌棒、數字顯示溫度 計、 100 mL 量筒、裝冰水的燒杯、小不鏽 鋼杯、廣用夾、點火器、碼錶、乙醇、生 質柴油、直尺 【步歸】 I.確定你和你的同伴都穿上實驗衣和戴 上安全眼鏡。 2. 檢查你的質驗桌上有數字顯示溫度計、 點火器、油燈和照片上的支撐物。 第 1 部分:乙醇 3. 將乙醇倒入燈內並確定燈芯吸足燃料。 如圖 l 組合油燈。確認裝乙醇的瓶子已 蓋回轉緊。 圖 1 4. 測量裝有乙醇的組合完成的油燈之質 量並記錄下來。 5. 測量空不繡鋼杯的質量並記錄在數據 紙上。 6. 在空不繡鋼杯中倒人約 200 mL 的冰水 並記錄下其質量。

(5)

7

如圓 2 將器材裝置妥當。 8. 記錄水的最初溫度, tl 。 9. 用油燈將水加熱並不斷地攪拌水。確定 每隔 30 秒記錄水溫直到溫度到違約 30 。 C 為止。將燈燄吹熄。注意你的衣服 和頭髮要遠離火燄。 10. 繼續攪拌水並記下水的最高溫度, t2 。 1 1.等油燈冷卻後,測量並記錄此冷卻的油 燈和內容物之最終質量。 第 2 部分:生質柴油

1

使用第二個油燈並用生質柴油重複上 面 3一 1 1 的步驟。 【數據處理】 I.用引吉中的公式,計算水所吸收的熱量 q 。水的 C

p

4.18

J

g-t

oct 。 2. 分別計算乙醇和生質柴油的燃燒熱,以

ld

g

-l 表示。 3. 分別計算在兩個實驗中的百分效率。 燃燒熱的理論值,乙醇為 30.0

kJ

g-t

,生 質柴油為 4 1. 2

kJ

g-l

4

回答在答案紙上的問題。 實酸三:太陽能電池 總時間 :3.5 小時 本操作總分: 13 分 【簡介】 太陽電池也稱為光伏 (photovo

I

taic) 電 池是轉換太陽能的方法之一。太陽電池利 用光伏效應將太陽輻射轉換為直流電能。 太陽能產生時率或稱功率,取決於照射在 太陽電池工作面積上的太陽輻射量。太陽 電池的電流與電壓決定於連接的負載(電 阻)以及照射於電池上的太陽輻射。此變 化通常以電流對電壓作曲線圖稱為電流司 電壓(I V)特性曲線來表示。下方圖 l 顯示 一組典型的曲線(相關的參數定義於後)。

(6)

s

G= 1000 W

m-

2

G=750

W

m-

2

G=500

W

m-

2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.1

0.'

"的..·M

圓 I: 典型的太陽電池電流-電壓(IV)特性曲線。 當負載電阻為零時,流出太陽電池的 電流稱為短路電流(Ise) 0 當電路為開路時, 太陽電池的電壓稱為開路電壓(几e) 。 人射的太陽輻射通常以輻射過量密 度來計量(稱為輻照度 G) 。輻照度的單位 是 W

m-

2 。從闡

l

可知太陽電池的 I

se

隨著 照射在電池工作面積上的太陽輻射量而變 化。 此實驗探究一具 PV 模組之 I

se

變他隨 著 G 的變化 ·PV 模組由 2 月太陽能板組 成。短路電流 I

se

隨著 G 的變化函數為:

I

2)a

其中心。是在某一太陽輻照度 Go 之 下,測得的參考短路電流。而 α是一常數 用以描述 Ise 隨著 G 的變化。人射輻照度

夾於

的)射

ρ

法汁, Aυ -hN 的

相為

W

單一市悶,到

村精心似缸

且 Jhbail--fEHm 線可\。一/立 -o 光度

光刀

GS-G

站買

斗叫 Jhtu' ,白、 AJAM e身斗趴 /lj10-口

人程

ISG

順方=中池

jhjf

臨其電

哥叫 WJ 陽

G

角太

【目的】 司驗目的為決定方程式(2)之中的 常數 α 。 【裝畫】 部份實驗裝置如圖 2 所示。包含了直 接照射於 PV 模組的國素燈。 PV 模組應與 數位安培計連接。 PV 模組的傾角為自 0。 到 90。可調。 f~頁角可利用量角器測量。

(7)

θ

protractor

Solar panel

【步歸】 1.熟悉實驗裝置。假設環境光照的影響可 以忽略。調整 PV 模組的傾角時,固定 菌素燈與 PV 模組的距離不變。 a. 調整函素燈高度使 PV 模組上表面 與函素燈玻璃燈罩面的距離為為

40

crn 土 Icrn 。

b

確認數位安培計的腹扭,調整到最 大電流為 100 rnA 的檔位。將安培 計連接到 PV 模組,極性必須接對。 記錄數據之前,揮手呼叫監考人員, 檢查記錄實驗裝置正確性。 (I 分) c. 打開菌素燈並檢查安培計是否有讀 數。實驗過程勿觸碰或調整函素燈。 d. 經由升高 PV 模組的白板邊緣,調 整 PV 模組的傾角,並檢查安培計 讀數是否減小。 e. 關掉齒素燈,並將 PV 模組放回7..k 平初位置。

2

打開並保持菌素燈亮著,改變傾角 (8)

,

自 30。漸增至 80° ,每次遞增夕,紀錄 PV 模組產生的電流 (I I) 。 團 2 3. 關掉國素燈,讓 PV 模組冷卻 5 分鐘。 4. 打開並保持函素燈亮著,改變傾角 (θ)

自 80 。漸減至 30° , 每次遞減少,紀錄 PV 模組產生的電流 (h) 。 5. 關掉齒素燈與安培計。 【任務】

1.

1

紀錄測量值。、 II 、 h 。計算 II 、 1

2

均值,作為 I間,記錄於答案紙衰(table) l 中。 (2.5 分)

1. 2 計算 log lO

(cos

θ)與 log lO

(cos

θ) ,並

記錄於答案紙衰(table) 1 中的適當欄

位中。 (I 分)

2. 以 IOglO (Ise)對 IOglO

(cos

θ)作曲線圖。

(3 分)

3. 利用你的曲線圖,決定 α 。(不必估 計誤差) (2.5 分)

4. 己知 I

seo

=70

rnA 與 Go=I

OOO W m2

,

利用你的曲線圖決定 G

sO

之值。(2.5 分)

5. 量在南非德班裝設時,太陽能板應面對

的方位。於答案紙上最佳方位處畫叉

數據

表 2: 溫度對甜茱根細胞朕通造性的影響 吸光值 (Absorbance)

參考文獻

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