全國中小學科展

高級中等學校組

「蝕」破天驚~超聲波場中空蝕效應之破壞情形分析

本實驗使用超聲波洗淨機為主體,將鋁箔紙放入腔內振盪,引起腔內液體產生空蝕現象並損壞鋁箔紙。我們使用分析軟體研究不同液體條件對鋁箔破壞的影響,以找出最佳清洗效果。 研究結果顯示,黏度越大的液體造成的破壞面積較小。這結果可以從Brabec和Mornstein(2007)的實驗中解釋,因為黏度增加會使空蝕閾值提高,也就是發生空蝕現象的條件變得更苛刻。溫度低下破壞程度較嚴重。 通過實驗和壓力感測器,我們發現超聲波在洗淨槽中以駐波形式產生空蝕現象,且破壞最嚴重的地方位於壓力變化最大的節點處。然而,由於超聲波洗淨機不是封閉系統且邊界條件複雜,無法精確推測表面情況。因此,我們希望透過建立數學模型來完善實驗。

冷面殺手李斯特菌-探討抑制李斯特菌台灣食品分離株之方法

李斯特菌污染,恐致腦膜炎、敗血症,WHO報告更顯示死亡率高達2成5。本實驗研究抑制李斯特菌(Listeria.innocua)之方法,以全基因解碼R19.1045為模組,與由台灣本土雞翅與豬肉分離出之38隻李斯特菌分離株做比較,觀察其型態、生長曲線及菌落形成單位(CFU)不同,以及致病力相關之磷酸轉移酶系統(phosphotransferase system, PTS),又稱第四致病基因群,是否廣泛存在於李斯特菌。研究結果顯示,37℃溫度培養L19N.053分離株在第5~第6小時有生長延滯的雙生長期(diauxic growth)現象,與PCR檢測初步結果呼應,L19N.053菌於PTS基因有部分片段缺失。R19.1045的CFU約為2.14x109。低溫(4℃)、酸性環境(pH=2)和酒精濃度35%,皆能有效抑制李斯特菌生長,為正常37℃環境生長速率之1/70-1/92。

探討持續施加弱磁場對斑馬魚幼魚生理及行為之影響

磁場是生活中常見的環境議題,近年來成為了熱門的研究主題,根據文獻探討資料,過去研究多以強磁場短時間暴露為實驗,在斑馬魚發育、生理以及行為模式上有初步的探索,並且與生化機制進行連結與解釋。 本實驗不同於以往的研究,利用受精後五日內(5dpf)的斑馬魚,在持續施加弱磁場後,進行不同磁場大小及分佈與單一磁場分析的兩大主軸實驗,觀察對斑馬魚幼魚造成的影響。根據實驗結果顯示,在生理表現上斑馬魚的心搏數會受到實驗設定之磁場影響,且胚胎孵化速度、幼魚身長及分佈偏好在較大磁場下會受到影響,但孵化總數及早期發育並沒有顯著差異;而在行為表現方面,短時間的弱磁場暴露會促進總移動距離和小活動力,但在長期處理下則導致數值下降。

酒精辨識儀

本次的研究是利用聲音在不同介質中所產生的共鳴聲譜,來辨識不同濃度的酒精。不同濃度的酒精其作為聲音傳導介質的影響也會有所差異。在同體積、同敲擊力道下,但不同濃度的酒精來進行聲音錄製實驗,將這些音訊檔案轉換成特定時間長度的時譜圖後,利用分組訓練的方式,讓人工智慧(AI)去辨識不同的酒精濃度。初步結果可以發現,相同敲擊力道下,不同濃度的酒精的聲音時譜圖在頻率反映、強度、以及持續時間均有變化,且其變化與濃度正相關。

眾金汞閱-奈米金結合核酸探測汞離子之研究

汞離子為影響健康的十大化學物質之一,因此具污染潛勢事業放流水之汞濃度都需列管並檢測。然而,偵測方法通常較為繁瑣,成本也較高,所以發展快速且簡便的方法是環境檢測重要的課題。本研究開發出以維生素C將四氯金酸還原成奈米金的方式,再透過核酸適體修飾奈米金偵測汞離子。利用奈米金表面電漿共振效應呈現顏色變化,進而可測量吸收峰波長變化。接著改變核酸適體濃度及長度、四氯金酸和維生素C濃度得到最佳化條件。另外,因核酸適體的胸腺嘧啶(T)與汞離子的高親和性使得此檢測方法具有專一性。最後結合行動載具建立濃度轉換方程式,並應用於環境水質檢測。結果顯示核酸適體修飾經維生素C還原奈米金可作為簡便且快速檢測汞的策略之一。

果蠅(Drosophila melanogaster)的習得性無助表現之研究

習得性無助(learned helplessness)是個體經多次追求獎賞或逃離困境失敗後產生的一種消極行為表現。習得性無助的行為研究雖多,但其神經機制的研究卻甚少。 本研究發現273,cha-Gal80>CsC-mCh是適合光遺傳學訓練的果蠅殖系。在白光點獎賞記憶訓練中,使273,cha-Gal80>CsC-mCh果蠅學會白光點視覺訊號代表著獎賞,並發現其白光獎賞記憶能持續7分鐘以上但未達10分鐘。藉已建立白光視覺訊號與獎賞連結的273,cha-Gal80>CsC-mCh,發現重複追求獎賞失敗的實驗組,相較於持續接受獎賞與完成獎賞記憶訓練而無任何操作的對照組,明顯表現習得性無助,本研究亦發現習得性無助個體也表現了活動力以及覓食表現的下降。未來期望藉由果蠅行為與特定腦區和神經傳導物之探究,建構果蠅習得性無助行為的神經網路機制。

探討環境因子對白線斑蚊產卵行為的影響

本研究在校園內廣設誘卵桶,研究校園內特多之白線斑蚊的產卵習性。實驗結果顯示環境溫度、濕度、光度對白線斑蚊的產卵數、陽性率影響不大。白線斑蚊的小組總產卵數與陽性率正相關,單筒產卵數與陽性率負相關,顯示白線斑蚊具有分散產卵的特性。繪製校園斑蚊產卵地圖發現校園內無特定的白線斑蚊孳生熱點,白線斑蚊選擇產卵地點與大環境無關,和誘卵桶放置位置的微環境有關。最有趣的發現為於校園廣置誘卵桶再移除所產的卵,可使白線斑蚊的數量劇減,可作為有效的防治方式。

化圓為方 ─ 四邊形的蝴蝶定理

本研究是將圓形蝴蝶定理推廣至四邊形,首先將四邊形分成梯形、平行四邊形、一對角線被另一對角線平分的四邊形,再推廣至任意四邊形,發現四邊形也有蝴蝶定理。而蝴蝶形的中心可以是四邊形兩對角線的交點,若一對角線被平分時,則以此對角線為蝴蝶線就有蝴蝶定理,若此對角線不被平分就有坎迪定理;若將此中心沿著另一對角線移動就有類坎迪定理,沿著原對角線移動就有坎迪延伸定理,若此對角線再被平分,就有等比例蝴蝶定理。最後利用三線共點的作圖法,成功將四邊形蝴蝶定理一般化。並透過不斷地延長多邊形不相鄰的邊,將多邊形退化成四邊形,從而得到多邊形的蝴蝶定理,只是此時蝴蝶形不一定內接在多邊形的邊上,也可能接在邊之延長線上。

拾級而上~從Jonah公式談矩形堆疊問題

多數人購房會要求生活空間的最大利用,其中樓梯間的置物櫃設計就是其中一例,本文是由置物櫃排列所發展的數學問題。 假設在樓梯下裝設矩形櫃子,並允許每行的櫃子最多只有兩種樣式:一種是該行的每個櫃子都是單位高度,另一種是該行最多只有一個超過單位高度的櫃子;而排列方式則是最高櫃子位於最下方且最底層的高度則是逐行高於或等於前一行的櫃子,我們將這樣的問題稱為「矩形堆疊」。 透過動手實作發現「矩形堆疊」與路徑數有關,於是建立與路徑的一一對應關係,並研究路徑問題。經由Jonah’s公式發展路徑問題後,再回來解決「矩形堆疊」問題;此外也研究變化不固定的路徑問題,對於特殊結構例如拋物線下「矩形堆疊」,都有不錯的結果。

戀家的費波那契

本研究將費氏數列F(n)前n項賦予正號或負號,再從第1項累加到第n項,找出過程中依次累加後的絕對值之最大值,並將這些最大值的最小值(最短最遠距離),寫成數列M(n)。經由R軟體運算的結果,我們找出一種可走出最短最遠距離的規律性走法,並推得每六項相關之數列M(n)與F(n)的關係式。 接著推廣至類費氏數列F'(n)(F'1=s,F'2=t),分成s = t、st 三種情況來討論。當s=t=m時,則新關係式恰為原關係式之m倍。當st時,則隨著s值所在區間的變動,會影響M'(n)與F'(n)的關係式。 最後延伸至廣義費氏數列F'(n)(F'(n+2)= p*F'(n+1)+q*F'(n),s=t=1),分成p=q、pq 三種情況來討論,並推得每六項相關之數列M'(n)與F'(n)的關係式。