全國中小學科展

高級中等學校組

擺磁必得其解!探討磁擺的運動行為

本研究旨在探討磁擺的運動行為,並建立物理模型及數值模擬探討磁擺運動。我們藉由磁擺擺動軌跡之分析、回復力矩測量及空氣阻力測量實驗釐清影響磁擺運動之重要因素。由實驗及模擬結果可知,磁擺運動中磁鐵棒主要受到重力及磁力之影響,當磁擺接近平衡位置時,磁力之回復力矩達到極大值而主導磁擺運動,而在擺角較大時則由重力主導。磁擺因接近平衡位置時的回復力矩增大,使其角速度、角加速度之變化皆與物理擺明顯不同;且磁擺於通過平衡位置時與支點平面發生碰撞造成磁擺動能損失。此外,當減小擺長時由於磁力不變,使得接近平衡位置之角速度越快,能量損失也越大,擺角衰減也越快。

四海聲頻—具近用性之水下聲音頻率測量系統建立與Phyphox軟體測量值規律探討

本研究自製消費性電子產品為基礎的水下聲音頻率測量系統,並探討不同變因對測量效果的影響。希望透過設置簡易且普及性高的器材,解決目前水下聲音測量儀器近用性低的問題,讓海洋噪音汙染相關研究可以更為普及,促進環境科學數據的收集效益。本研究使用Phyphox軟體分析頻率,發現音源頻率遞增時頻率差有規律的變動,於是深入探討頻率差成因並使差值最小。最後將此系統應用於實際水下聲音頻率測量,觀察聲譜的頻率分布特徵,辨識顯著背景噪音並驗證其實用性。

「餘」霞成綺----利用組合數探討 Stirling Number of the Second Kind Triangle Fractal 與質數同餘性質

本研究旨在利用組合數來分析第二類斯特靈數在模質數下的性質。研究分為五階段:第一階段我們參考O-Yeat Chan等人的論文,並改良了其證明過程,得到一個同餘組合數。第二階段利用第一階段的奇偶性定理發現(3n n)與𝑆(2𝑛,𝑛)同餘mod2並改良論文證明,使得證明更易推廣。第三階段我們更推廣到更一般的結論:滿足𝑆(𝑝𝑛, 𝑛)≡(p'n n)(𝑚𝑜𝑑2)時,p與p'是線性關係。第四階段與第五階段繪製熱圖時,我們發現圖中存在謝爾賓斯基三角形,對此進行了研究,並成功證明斯特靈數三角形在模2與模3下具有碎形結構與謝爾賓斯基三角形,這是文獻中都沒有探討過的。

千迴百轉 ,尋密初心 —封閉折線在方格圖形內運動軌跡經過的最多格數

本研究探討封閉折線在方格圖形內運動軌跡經過的最多格數,分矩形邊長為n×n、 n×(n+k)討論,再細分為n≡0,1,2,3(mod 4)及k≡0,1,2,3(mod 4)討論,並依各種情況歸納後提出最多格數之公式,使用數學歸納法證明其正確性,並且推廣導出n×n×n正立方體的最多格數之公式。

變葉木,變變變!變葉木(Codiaeum variegatum)對光照的適應性

觀察校園中不同地點的變葉木,發現不同植株間葉片顏色及面積差異似乎與環境光照強度有關。本研究由植物形態學、解剖學與生理學著手,利用圖檔掃描、光譜掃描、徒手切片法與希爾反應探討位處不同光照強度下變葉木葉面積、色彩、結構與光反應效能之差異。另模擬花青素位於葉片不同位置對光反應之影響,並討論變葉木對光照的順應策略。實驗證實強光下變葉木葉片與柵狀葉肉厚度較厚;弱光下葉片面積與光反應效能提升且葉片紅色占比提升;花青素位於上表皮時對光線吸收有減弱效果,於下表皮時則為促進作用。強光下變葉木展現減少光線吸收量之保護機制;弱光下則有相反趨勢。未來可朝光合色素含量測定與變葉木對其它環境變因的順應性延伸探討。

「磁」「明」無雙 — 磁性碘氧化鉍可見光光觸媒對淨水效率之研究

本研究成功以不同化學方法自製磁性奈米粒子,並利用水熱法(Solvothermal)合成可見光光觸媒碘氧化鉍(Bi4O5I2),再以不同比例複合出具磁性的光觸媒,藉由光降解結晶紫(Crystal Violet)染料實驗探討分解染料效率最佳之複合樣本,其最佳樣本為Bi4O5I2 -Fe3O4-90 %,反應速率常數達0.1118 h-1,並運用一系列儀器檢測其特性並探討其與光催化效率之關聯性。此外,針對觸媒在生活中的應用性探討,在生活不同水質、極端pH值或是高濃度之有機汙染物均仍保持良好的降解效率,並以Arduino開發板搭配各項組件模擬小型淨水場,以達到自動化降解有機汙染物。另外,利用自製紫外光照光裝置模擬捕捉CO2之光催化反應,並使用Arduino開發板之氣體偵測器確認生成化石燃料作為未來展望目標。

哇嗚!!原來聲波真的可以滅火耶

本研究旨在改善火災應對技術,探討聲波滅火器的設計與優化。利用COMSOL Multiphysics軟體模擬聲波的物理特性,並透過實驗驗證模擬結果。結合程式設計驅動功放單體,測試多種頻率與角度的變化,深入探討聲壓頻譜、聲強、聲功率等物理特性。研究過程中發現,Q值是影響滅火頻率的關鍵因素,70Hz為最穩定有效的頻率,聲壓、聲強、聲功率的量測數據均再次證實此為最佳滅火頻率的推論。 這一創新發現為聲波滅火器設計和優化提供了新科學依據,相較於過去的錯誤嘗試法,我們通過專業軟體模擬並實驗驗證,再次驗證了Q值在滅火頻率中的關鍵作用的推論。未來將進一步探討聲波對火焰燃燒機制的影響,結合MLX90640紅外線熱顯影技術,以科學方法深入研究。

當藍芽碰上Wi-Fi─自組裝遠端操控智能船與無線傳輸技術監測環境水域之應用

物聯網為未來發展的核心與趨勢,因此我們自行撰寫程式碼並結合Arduino(嵌入式硬體平台)和酸鹼值與溫濕度感測器,組裝一台可遠端操控的智能船,搭載無線傳輸技術(藍芽、Wi-Fi),應用於檢測水域中水質酸鹼值、水溫、氣溫及環境濕度。 再以智慧型行動裝置(手機、平板或筆電),將本研究裝置─智慧遠端遙控船,實際於高雄地區生態池和湖泊中進行環境分析。經由量測數據相互比對後,準確獲取選定地點水域中的pH 值與溫(濕)度。本研究具有操控便利、自由規畫路徑、水域障礙閃避與距離回傳等功能,視野範圍內自行手動控制,依據偵測任務需求或行駛環境狀態,進行航行控制的水面監測。提升監測工作的安全性,操作介面簡易便利,系統穩定成本低廉。

「肽」強了—Q4-15a-1抗癌胜肽輔助化療藥物對胃癌的作用與其機制探討

胃癌是國人常見的癌症之一,常見的化學藥物治療常造成嚴重的抗藥性,而標靶藥物雖效果較好但價格昂貴,我們欲探討胜肽Q4-15a-1能否與化療藥物 5-FU ( 5-Fluorouracil ) 達到協同抑制癌細胞的效果,並找出 Q4-15a-1 的胞內作用機制,希冀未來可降低 5-FU 的使用量。本研究使用AGS ( Adenocarcinoma gastirc cell line ) 胃癌細胞株,由細胞存活率結果可知單獨給予Q4-15a-1 在 30.88 μM 可抑制細胞生長;單獨給予5-FU 則在 9.14 μM 能抑制細胞生長。而同時給藥時,達最佳抑制效果僅需12.04 μM Q4-15a-1 與 3.56 μM 5-FU 。在探討 Q4-15a-1 抑癌機制中, Annexin V-FITC/PI 雙染法及細胞週期實驗得知Q4-15a-1、5-FU和藥物組合可皆促使細胞走向凋亡;再以西方墨點法確認凋亡途徑,由凋亡調控蛋白表現量推測,Q4-15a-1 誘發外源性凋亡;藥物組合誘導的是內源性凋亡及 Parthanatos 途徑。

Invelox2.0風速增幅系統

本研究主要是設計Invelox2.0的風速增幅系統,透過此系統可以在出口增加風速而達到風力發電。以空氣動力學與簡單的流體力學原理為基礎,並運用AuotCAD、Solidwork軟體設計、雷射雕刻機實作出Invelox2.0風速增幅系統、也使用3D列印機器製作出曲線方式的風速增幅系統,並比較雷射雕刻的系統與3D列印的系統差異性。利用此風速增幅系統來實際比較,Involex2.0風速增幅系統與傳統風速增幅系統之風速情況,並利用風速計測量風速的情況後,發現此本系統優於傳統系統方式。另外本研究使用Solidwork軟體中的Flow Simulation模擬出本次設計概念,在管道突然變窄會產生文丘里效應,並開始聚集且加速。因此,代表本設計風速增幅系統是非常有意義的。