全國中小學科展

高級中等學校組

太陽能智慧儲能探究與改良

近年來,政府積極推動綠色能源,太陽能光電也愈加廣泛地被使用,但市售產品仍存在一些缺點,包括電源轉換易出現空窗期,導致兩電力無法接續迫使電器無故被關機。而逆變器是系統中最易故障設備,常以定時、光控或手動方式延長壽命不僅不人性化,當遇故障遠端者也不會第一時間得知,且須返回以人工切至市電才有電力可用。此外,目前流行以鋰電池當作儲存設備,若不幸遇充電管理異常會導致發熱膨脹有危險疑慮。上述問題逐一分析融合智慧、監控、管理、便利與實用五大面向,尋求最佳的改善方式,共同打造更好的綠能環境。

液中各表_動態表面張力分佈造成液面上彩圈之行為討論

以不同濃度的界面活性劑、容器面寬、水深來觀察界面活性劑在水中運動的種種現象。在界面活性劑中加入固定比例的紅色色素6號,使其滴入水面上時可以明顯觀察彩圈的漲縮現象,再藉由Tracker追蹤彩圈運動軌跡,進而計算出其直徑大小之改變,最後將實驗結果以圖的方式記錄下來,再觀察其運作規律並製作出函數圖形,確定此一現象的運動方式,並思考此現象形成的可能原因。

「圓圓」不絕─三角形內相切多等圓之探討

本研究旨在探討「直角三角形內部」、「等腰三角形內部」及「任意三角形角平分線上」的相切多等圓之不同排列情形,並找到多等圓的圓半徑公式。而在等腰三角形中,我們找出半徑與邊長、角度的關係後,接著探討該多等圓排列的最大半徑,進而探討內切多等圓在不同排列下產生最大圓半徑時,最適三角形的邊比為何,以及最適三角形頂角會滿足何種關係。最後將等腰三角形內的不同排列之半徑互相比較大小。

斜面下相遇的機率

在m×n的矩形方格街道加上二元一次不等式的邊界條件,若甲從左下到右上,乙從右上到左下,各自沿格線走捷徑前進,探討兩人相遇的機率。過程中發現碰撞次數會影響機率,而碰撞次數則與卡塔蘭數的乘積有關,透過生成函數的卷積將此乘積記為c(n,k),經由文獻探討找到計算的方法。為了容易看出碰撞次數,我們將c(n,k)透過變數變換定義T(n,k),創建斧頭定理並就邊界是否通過原點及終點是否在邊界上分項討論,以表列方式呈現定理,大幅簡化機率的計算。最後將實際問題以分區概念應用上述定理,成功解決矩形的邊界問題。為了探討斜率大於1的邊界問題,我們找到L(n,r,k)的文獻,發現在r=1時與c(n,k)、T(n,k)有關,進而推廣至整數r>1的斧頭定理。而Fuss-Catalan numbers也與L(n,r,k)公式相似,可得相同推論。

魔鬼藏在細節中-實時影像隱藏浮水印

本研究旨在透過DCT-SVD演算法,即時對動態影像,嵌入人眼幾乎不可見的浮水印。經過測試,該演算法具有一定的抗攻擊性,可以保障影像受到他人壓縮、裁剪等操作後,能還原嵌入的浮水印資料。 嵌入的浮水印有多種用途。舉例來說,版權方可以在動態影像中,嵌入可辨識被授權者資訊的資料。當被授權者私自將影像給予未授權者,版權方可以透過還原浮水印的方式,追蹤違反授權的被授權者,並採取必要的法律行動,以保障版權方的權益。或者反過來思考,對於監視器畫面之類需要做為證物的影像,當偵測到浮水印遭到破壞時,就代表該影像經過人為修改,可能不具有法律效力。

應用多任務學習神經網路建構可識譜六孔竹笛機器人

本研究目標在建構可以識譜及吹奏中國笛的吹笛機器人。中國笛演奏必須協調吹法及指法;藉由控制吹氣流速、吹嘴角度及六指按壓音孔的變化來控制音高以完美地吹奏樂曲,是一項複雜的演奏技術。機器人以模擬吹笛口型的吹嘴,搭配兩個風箱往復送氣到一個壓力調節風箱送氣,以微控制板控制六個機械手指來蓋放完成演奏,為在音尾可確實止氣,設計一個風門,利用風門開闔也可模仿吐音技巧讓笛聲明確發音。辨識樂譜方面收集樂譜樣本,樣本分成譜線、音符、節奏三套,透過多任務學習MTL的深度學習架構進行訓練,建構可以辨識五線四間及二、四、八分音符的樂譜辨識模型。經測試若樂譜在符合音域範圍內,可以完整的辨識,轉換成音符資料傳送給吹笛機器人吹奏。

切割方程

皮納姆的吃餅精靈是我們偶然間發現的遊戲,此遊戲在正六邊形的棋盤上,兩位玩家輪流取一整排相連的棋,取到最後一個棋的人即獲勝。在正六邊形棋盤下,先手玩家的必勝策略是很明顯的。因此本研究之目標為在等角六邊形棋盤上,對於先手玩家獲勝的策略探討。我們在兩位玩家追求獲勝的前提下,以不同的取棋總步數類型(取棋步數必為奇數步、取棋步數必為偶數步、取棋步數為可奇可偶)來分類盤局中常出現的殘局,進而定義不同的Region Number,並定義AreaNumber來代表盤面上各類殘局數量狀況,結合兩者綜合分析各類殘局數量與取棋步數奇偶性,從而推論出先手玩家掌控取棋步數的奇偶性之策略,找出先手獲勝的方法。

利用校園望遠鏡與LCO所測得的星團星色星等圖求星團年齡

本研究使用校內望遠鏡(14-inch)拍攝英仙座的雙星團NGC884、NGC869及后髮座的球狀星團M53,並申請LCO的望遠鏡(16-inch )拍攝同為北半球后髮座的球狀星團M53以及位於南半球天體Grus II、Tuc II的潛在星團,繪製出其星色星等圖(Color-MagnitudeDiagram,CMD)並分析之,得出英仙座雙星團的年齡皆約在107年之間,兩者實際年齡相近;而南半球天體Tuc II的CMD以等年齡擬合後似乎有個趨勢,假設此趨勢為真,推測其年齡相常年輕,約千萬年的數量級,可能是麥哲倫星流的物質所誕生。在M53的部分,比較本校天文台和LCO申請排程的望遠鏡拍攝出的數據,得出在北半球的部分LCO的降噪比較差,測量誤差稍大。

懸臂樑的聲學震盪與力學震盪—鐵尺的探究與實作

去年我們在全國物理探究實作競賽被淘汰,主題是鐵尺的磁機械振盪器,賽後我們決定試著把它研究清楚。最初我們以為鐵尺的振盪行為類似繩上的駐波,但後來發現,鐵尺其實表現出懸臂樑的運動特徵。懸臂樑在建築學、結構和材料力學中很重要,在尖端科學的 AFM、STM、MEMS中也有應用。我們一開始使用 Tracker、Phyphox App、以及超音波感測器進行實驗,最終我們使用手機APP偵測鐵尺的聲學振盪,以及線圈產生感應電流,透過示波器偵測鐵尺運動的力學振盪,這兩種是我們創新的量測方式。鐵尺振動須用懸臂樑的力學解釋,理論包含 sin與sinh 函數。我們在聲學、力學振盪的實驗結果是互相驗證的,並與懸臂樑理論預期的頻譜一致,驗證了鐵尺的振盪為懸臂樑的運動形式。

連鎖遠端研發助手

本研究旨在利用遠端工作和物聯網技術開發名為「連鎖遠端研發助手」的研發裝置。通過以連鎖烘焙為範例進行測試,探討其可行性和時效性。該研發裝置具有以下優點: 1. 多人多地共同研發:減少人員奔波和交通住宿費用,有效結合人力相互支援,快速達成目標。 2. 共享與同步資訊:快速修正研發缺失,及時彌補缺失,完善成品。透過物聯網技術,快速分享配方至各連鎖商店,協助製作出品質一致的優良商品。 3. 提升研發效率:通過APP操作遠端伺服機器,擴大遠端工作範圍,快速獲得產品數據。有助於研發人員更容易取得成果,快速推動該產業發展。 本研究結果顯示「連鎖遠端研發助手」具有可行性和時效性,未來有望成為研發平台,協助產業發展。