第54屆--民國103年

智力環是中國古老的童玩，是前人智慧的累積，已經發展了許多複雜的結構。我在一次偶然的機會之下，接觸了這個有趣的玩意，也發現了他的結構和解法與數學有關。於是我藉著這次的科展，研究這個主題，試著找出他的規則，看看是否可以用數學語言來描述。 在研究過程中，我蒐集了許多市面上常見的智力環，也研究了許多書本上有關的文章。在偶然的機會下，我去鹿港玩，又蒐集到更多不同的智力環。之後我開始討論智力環的結構，並加以分類，再來我研究了一些有關拓樸的書，藉由拓樸的知識可以更加清楚的描述有關扣環的結構。 最後，我歸納出巧環的一些基本原則，並且利用這些基本原則發明了幾個巧環。並提出了幾個實用性的應用。

『火柴遊戲』(The game of Match)，一個中國最古老的二人遊戲，有人稱之為『筷子遊戲』(The game of Chopstick)、『拈子遊戲』或『尼姆遊戲』(The game of Nim)，在遊戲中，對戰的兩人可不斷的改變規則，並設法去找尋所謂的致勝技巧。但是其中最吸引人的就是『先取的人可以拿任意根火柴，但不可以一次取完，而後取的人所拿的數量不可超過上一人所取的二倍，同樣是取走最後一根火柴的人就獲勝』及『每次取的數目是1〜5根，先取的人不可以一次取完，而後取的人所拿的數量不可與上一人所取的相同，同樣是取走最後一根火柴的人就獲勝』。好奇的我們於是決定悠遊於火柴棒的遊戲中……。

我們已經知道，過飽和醋酸鈉水溶液可以產生結晶放熱反應，之後再利用過飽和醋酸鈉水溶液放熱特性，製作出了一些簡易的暖暖包，經過詳細的觀察後，測量出它的多種性質：不同過飽和醋酸鈉水溶液濃度與質量，它們分別的溫度、持久時間等。除此之外，為了要使自製暖暖包更迅速、更簡易的產生出結晶，所以我們便將長尾夾、髮夾、彈簧等各式各樣不同的觸發介質丟入自製暖暖包裡面，或是利用在袋外敲擊、按壓、音叉震動等不同的方式來使它產生結晶，並探討與延伸結晶之位置及結晶困難與簡單的程度。最終，我們期望能做出一個能重複使用、不會發生低溫燙傷、又可以維護大自然的自製暖暖包。

「致冷晶片」是種將電能轉換成（高溫與低溫）的設備，如果反向操作，致冷晶片內半導體材料會拉大其電位差，變成具有提供電動勢的發電設備，進一步研究自製一台靠太陽熱能發電的系統。 研究內涵： （一）瞭解致冷晶片其結構與功能。 （二）「溫差→發電」實驗，進行發電量之研究。 （三）進行白天與夜間溫差實驗，溫差時間加長讓發電量增加。 （四）設計出構造簡單、體積小、又能長時間維持發電的機構。 我們的研究重點是將太陽能蓄熱之熱水加至於致冷晶片的受熱面，在背面進行散熱，形成穩定的溫差進行發電。白天使用致冷晶片系統供電，晚上仍應用熱水槽內剩餘的熱水繼續發電，同時也達到24小時的供電系統。

這篇研究，主要是在探討製作一部微型衝床的方法。我們利用學校實習工廠現有的機器，自行設計、自行配線、自行製作一部微型衝床，它的外型尺寸僅約15×19×29 cm，比市售桌上型衝床縮小了20倍，相當於一張A4紙的大小。另外，這篇論文也有針對衝床的類型、用途、安全防護裝置進行討論，並應用在微型衝床的設計上，內容包括微型化設計、曲軸設計、齒隙調整設計等等。這個作品，從構想到成品，我們皆在學校實習工廠完成，沒有委外代工，「動手做、做中學」，也是這個題目的特色之一。

我們對天氣的研究前後共進行了二年，在本年段中仍以「雲」作為主角來探討埔里在地的天氣，並進一步對天氣的預測做更詳細的分析。在此略述我們這二年研究的成果：(1).我們發現同屬於高雲族的卷雲和卷積雲大都對6小時後的天氣有高度的指示性，尤其，我們還發現卷雲的AL法則，能預測劇烈的天氣變化；(2).我們發現可以利用高雲族和層狀高積雲來預測冷鋒鋒面何時到來，而且，我們也發現層狀高積雲出現的次數和冷鋒來臨前後的溫度差具有高度的負相關─亦即我們可以藉由層狀高積雲的觀測，事先做好禦寒的準備；(3).我們發現若能結合日月潭氣象站的氣壓、濕度和埔里當地的濕度資料，再經過詳細統計分析，可以對埔里地區的短期天氣做有效的預測。

在傍晚六點前後，中正橋上的蜘蛛會開始結網及覓食。美崙溪下游的曙光橋、中山橋、中正橋及尚志橋欄杆上的蜘蛛分佈有很大的不同，我們進行戶外調查共165小時，總紀錄兩種蜘蛛（大長腳蛛、黃姬鬼蛛）共1065隻次。其中以中正橋上蜘蛛總數最多，且大長腳蛛的數量大於黃姬鬼蛛，多分佈在橋上的燈條下方。根據實驗數據，夜晚有燈條光照環境的蜘蛛結網率大於無燈條光照環境，推測是因為蟲具有趨光性，被燈光吸引，使蜘蛛結網於燈條下能增加其捕食成功率，進一步推測各橋環境的食物量和橋邊燈條的分布，會影響蜘蛛的結網位置。為此針對中正橋兩岸護欄及橋下環境進行調查。本研究也讓我們團隊對於橋上照明設備對黃姬鬼蛛、大長腳蛛的影響有了基礎的調查資料。

本研究針對同為世界百大生態危害植物小花蔓澤蘭與香澤蘭進行水蒸氣蒸餾後，利用其蒸餾提取物及殘留物進行再利用研究。實驗發現，小花蔓澤蘭與香澤蘭的精油收率分別為2.32 mL/kg 及 1.48 mL/kg，每克精油還原力與總酚含量分別為13.56±0.90mg Vit.C、7.58±0.77mg G.A. 與17.65±1.28mg Vit.C 、21.48±0.67mg G.A. ；每克精油清除12.25%自由基相當於0.23克與0.52克維他命E；每克精油減少50%油脂中過氧化物能力相當於0.20克與0.19克維他命E，如此好的抗氧化活性可應用於天然抗氧化劑功能的使用。提取物可配製成驅避台灣鋏蠓的防蚊乳液可有將近4小時完全驅避時間；另蒸餾後殘留物也能成功應用於天然植物染及DIY手作紙。經本研究成功的讓原本摘除後只能焚燒的廢棄物有完全的利用價值，真正的讓『綠癌』生『綠金』。

本實驗首創以手機應用軟體：”色差計”與ColorMath 測Lab值，並計算色差值。在自紫甘藍菜、菠菜及甜菜萃取的花青素、葉綠素和甜菜色素液中加入不同pH值酸鹼液及各種不同濃度重金屬水溶液後，將色素放入自製標準光源觀察箱中，使用手機應用軟體測量Lab值，並分析其色差值，發現高、低濃度色素液對酸鹼水溶液及不同濃度之各重金屬液皆有變化，且濃度可偵測準確至1/50ppm。此證明了：使用植物色素檢驗重金屬和溶液酸鹼度為可行之方式。本實驗植物三種色素皆可自生活中之蔬果萃取而得，提供大眾簡便環保又低成本的檢驗方式。

許多的書上或是博物館的資料都會告訴我們，地球的磁場分布就是一個偶極磁場，我們可以把它想成是有一個很大的磁鐵在地球裡面。但地球上有一個「南大西洋磁力異常區」，在這個區域中，磁場特別弱，跟一般學到的地球磁偶極磁場分布不一樣。在我們的實驗中，我們利用磁鐵以及其他的鐵磁性物質，配合智慧型手機裡面的磁力計，來看看能不能建立一個磁場模型，模擬南大西洋磁力異常區的磁場。