全國中小學科展

第一名

解構奧運會徽探討平面鑲嵌

觀察2020東京奧運會徽,發現圖形是由矩形組成,且矩形可經由三種元件(30°與150°的菱形、60°與120°的菱形、正方形)的各邊中點連線而成,本研究旨在利用這三種元件,探討平面鑲嵌。首先,找出利用元件拼貼一圈的組合個數,進一步向外擴增成正十二邊形,計算面積、對角線的長度,觀察旋轉之幾何變換,藉此得出拼貼成線對稱圖形時對稱軸上元件的擺放情形。接著,探討奧徽鑲嵌背景圖中不同大小正十二邊形的面積關係,並將線段變成曲線,推廣至拼貼成正n邊形的四邊形元件探討,得出如果n為偶數,則圖中的四邊形皆為菱形,且菱形的圈數為n/2-1,種類個數為⌈n/4-1/2⌉。最後,觀察類似奧徽之非平面鑲嵌頂點相接圖,改成用正方形貼接圖形,計算出邊長有1:√2的關係。

「梅」來演趣-探討台灣梅雨季之大氣流型演變與模擬

為了解台灣地區梅雨季的氣候特徵,本研究分析2009~2021年五、六月之降雨、風場及大氣環境。顯著降雨方面,東北部全年有雨,西南部則是五月開始才進入雨季。五至六月,台灣顯著降雨區域逐漸南移,為了解此時期大氣環境演變,我們分析「SSL東亞衛星地面天氣圖+風場」,共歸納出六種流型,分別為A北風、B東風、C南風、D北風南下、E低壓帶及F西風流型。我們發現,南風流型入夏後成為主流,且流型變化有趨勢性,在整合降雨資料發現,迎風面影響降雨甚鉅。接著,我們嘗試在實驗室模擬流型,我們以不同濃度海藻酸鈉溶液進行垂直及水平模擬,搭配磁石攪拌器模擬不同流向的流體擦撞,並加入障礙物,可模擬出與本研究相符的幾種流型。

液滴爆炸

本研究探討乙醇水溶液液滴於疏水流體表面之分裂現象。此現象可利用揮發造成乙醇之濃度梯度所驅動的表面張力梯度來解釋,又稱為馬倫哥尼現象(Marangoni Effect)。液體為達到最低表面能而改變表面積的普托瑞立不穩定現象(Plateau Rayleigh Instability)也可以做為液滴分裂的解釋之一。 在研究中,研究團隊發現溶液在油面上會隨時間分裂出子液滴,並對於最終子液滴的半徑與分裂現象分別進行定量與定性之探討。本研究於先遣實驗中發現乙醇水溶液濃度之臨界下限為65%~67%重量百分濃度,並以大於(含)此濃度之溶液進行關於乙醇濃度、溶液體積與油層厚度三項參數對於最終子液滴半徑、分裂時間、液滴最大擴散半徑與擴散半徑演變之影響。

解固奇招 – 動力水流解凍之分析與探討

現代人工作忙碌,常忘記將冷凍食材提早退冰,為了加快肉品解凍速度及節省備餐時間,研究動力水流解凍法的分析比較。 研究中製作標準化真空冰袋模擬肉品解凍,在不同馬達位置與水量多寡的流場分析,發現5升水量,馬達不同位置及不同起始水溫,起始水溫越高,解凍速度越快,雙馬達5+6號位置雖然速度較快一點,但基於會多占空間並較耗能,後續選用次佳效能的單馬達6號位置搭配節水的3升水量。恆溫控制對解凍時間有幫助,在起始水溫20度時解凍效率提升最多。 運用力學原理自製肉品軟硬度測定儀,判斷肉品解凍完成,具客觀性。研究找出用較高功率的加熱棒做3升水,馬達6號位置的20度恆溫動力水流解凍肉品有良好成效,可避免微波爐外熟內生的狀況。

它罩得住我

本研究主要為進行安全帽改造,昔日我們常見關於汽車的盲區偵測、內輪差等先進技術皆建置於汽車上面,但實際在行車上造成災害發生的主角大部分為機車,我們閱讀相關文獻發現目前並無機車有相關技術,再者我們希望此技術可以讓騎乘機車、電動機車、電動腳踏車、腳踏車等對象皆可使用,因此我們於安全帽上裝設鏡頭及雷達感測器,透過鏡頭進行車輛物件識別,以識別車輛類型及輪距,進而以公式繪製內輪差曲線與進行盲區車輛偵測;透過雷達計算車側距離以判斷車輛是否會太靠近汽車或是落入汽車之內輪差範圍內,將以上偵測結果透過抬頭顯示方式直接投影在安全帽的面罩上,如此一來將可讓機車及腳踏車族在行車上更具安全性。

以甲醇與甲酸為營養源評估甲醇利用菌的碳利用效能

本研究以化工廠的活性污泥中篩出的甲醇利用菌Methylorubrum populi 進行研究,經全基因定序得知其具備染色體與質體各一組,再經序列分析找出5488組基因、對應5376組蛋白質與347個代謝路徑,其中包含可以利用甲醇、甲酸進行生合成的多條路徑。在不同的酸鹼值下,以不同比例的甲醇、甲酸為碳源,輔以銨鹽礦物鹽基礎培養液培養,測量此菌生長曲線的變化,由此推得生長半生期、倍增時間等各項參數,並分析乾燥後菌體的氮、碳、氫元素比例,以評估其碳利用效率。分析結果在pH 6.7、以甲醇為碳源的狀況下,以其碳排46.7%減去碳利用率53.3%,顯示此反應甚至可達到負碳排。

二氧化碳高選擇性轉化生成合成氣之碳中和工程

近年來「碳中和」是全人類追求的目標,本研究利用非貴金屬(鐵、鈷、鎳)離子形成前驅物為2-甲基咪唑配體的沸石咪唑骨架和前驅物為雙氰胺、葡萄糖反應物的類石墨相氮化碳,再鍛燒生成可導電的催化劑,將上述兩系列的催化劑分別搭配使用氣液分隔的氣體擴散電極進行電解還原CO2,再由氣相層析儀分析產物並計算法拉第效率。目前合成出的鎳金屬類石墨相氮化碳催化劑(Ni SACs@NC)最佳,在電位-0.52V時,高選擇性生成CO,其法拉第效率高達99%,而目前已有成熟工業製程能將CO轉成合成氣,再製造許多具經濟價值的有機產物,所以我們開發的新環境工程,找到一條碳循環的新路徑,有助於加速達成「碳中和」,為人類永續發展做貢獻。

與頻率共舞──探討玻璃杯內不同液量之頻率變化

本實驗以不同玻璃杯型以及盛裝不同液體探討振動頻率,以AUDACITY進行頻率分析,其中無腳座玻璃杯在杯口所形成的波數為n=1, 2, 3…;有腳座玻璃杯在杯口所形成的波數為n=2, 4, 6…。此外腳座可讓玻璃杯更穩定地振動,頻譜上也清楚呈現特徵頻率且有倍頻關係。手摩擦所有玻璃杯主音皆為n=2,且強度大於其他泛音百倍以上,視為純音樂器;敲擊杯口與摩擦杯口的主音(n=2)頻率相同,但產生許多雜音,不適合作為樂器。另外從能量守恆角度推導玻璃杯裝有液體的頻率公式,並以實驗驗證推論,其振動屬於一端受力的「集中負荷」情形,其液高與頻率可以用函數表示。未來希望能進一步以位能角度探討空杯的振動頻率公式,並從黏度探討液體位移速度與玻璃杯位移速度之間關係。

「顯像」環生-環形氣泡產生方法及變因之研究

我們從網路影片發現海豚能夠吐出環形氣泡!對環形氣泡產生興趣後,我們自製以相同力道製造環形氣泡的施力裝置,進行環形氣泡產生方法和變因的探討。我們推薦以空氣砲製造環形氣泡。空氣砲使用3D列印中空圓筒瓶,瓶底包膜以繡框固定矽膠保鮮膜,並以推膜施力。我們以細小氣泡作為顯影顆粒,進行簡易的流體可視化,分析出環形氣泡形成歷程與內部運動軌跡。孔徑、管長和管徑都會影響環形氣泡效果。管徑3吋圓筒瓶最佳化為「孔徑/管徑=1/3、管長20cm」。施力大小與孔徑則會影響環形氣泡直徑。環形氣泡需要氣泡才能現形,我們研發出內塞氣泡石、現形水量方法,讓氣泡現形一體化。此外還發現環形氣泡對撞會有互相抵銷、吸收與後凹抵銷一半現象。

百密無一疏–特殊多邊形密閉區塊之研究

本研究討論如何利用k個全等n邊形圍成密閉區塊,其中多邊形分成正多邊形與正多角星形兩種類型。除了找出可以圍成密閉區塊的最少塊數外,亦由多邊形邊數n與塊數k討論密閉區塊的存在性。若存在某種拼接方法可利用k個n邊形圍出密閉區塊,則進一步討論該拼接方法是否能夠密鋪整個二維平面。在大多數的情形下,研究成果已能判斷k個正n邊形或正n角星形能否圍出密鋪區塊,以及是否可密鋪平面,並且提出一套建構拼接方法的流程。