全國中小學科展

高級中等學校組

膜音傳腦—金屬球彈跳聲

我們使用橡膠氣球膜套在塑膠杯口製作鼓,大小不同的金屬球充當鼓槌來進行實驗,記錄聲音以Audacity、Python-FFT及Python-STFT等軟體及分析演算法處理,探究聲音的組成頻率、振動模式及影響聲音頻率、強度的變因。成功找到金屬球撞擊橡膠膜聲音的基頻及振動模式組成。我們發現:金屬球落點愈接近中央,基頻強度愈強;遠離中央,則能引發較高頻率的震動模式。金屬球直徑和基頻強度雖無明顯相關,在基頻和(1,1) mode之間卻可看到一明顯波形,且此波形強度隨著金屬球直徑增加而增加;中等尺寸的金屬球撞擊膜中央特別能引發以落點為腹點的震動模式。此外,落下高度愈大,則基頻強度愈大;而落下高度增加並不會引發較高頻率的震動模式。

運用機器學習和軟體模擬優化泵浦旋葉

本研究主要整合實驗測量、田口實驗與人工智慧機器學習等方法,發展優化泵浦旋葉技術。首先以3D列印開發多種相異外型族群與不同葉片數目共計82種設計,以實驗探討旋葉構造形狀與泵浦之流量、揚程及效率,進而找出效率較佳的旋葉並作為基底,過程中應用電腦輔助分析軟體進行旋葉內部流場與應力場分析驗證,搭配透明運轉泵浦觀察不同轉速下旋葉內部流體流動狀態,田口法研究結果發現由信躁比與均值分析結果顯示入口斜率為最重要的影響參數、其次分別為旋葉數與出口斜率,影響最小則是上蓋厚度,且優化設計旋葉T3C-10-2-4-4最佳。機器學習方面,經由多元線性回歸訓練模型預測出未知的旋葉效率(Y值),訓練完成後得到平均絕對誤差Mean Absolute Error (MAE)皆小於1.5。

航空雙雄的奮力「疫」戰探討航空公司是如何在嚴峻的疫情下生存及能增加或改善的防疫措施

全球受新冠疫情肆虐,各產業損失慘重,航空公司更是受到重創。為瞭解航空公司於疫情前後的營運狀況,研究臺灣兩大航空公司的年報、財務營收報表及民航局統計資料,比較疫情前後的營運狀況與對公司的影響以進行分析。 為了解旅客對搭機的防疫安全需求與防疫措施建議,編制問卷,以研究疫情下搭機的安全性及防疫措施的改善方針。 本研究架構主要分為四大面向:一、疫情前後營運分析 二、疫情下航空公司的應變策略 三、問卷調查 四、調查結果分析。 結果顯示:一、航空公司在疫情初期營運狀況顯然不理想,之後便有所改善 二、航空公司推出許多行銷策略如添購新機和降低營運成本等 三、機艙內感染病毒的可能性並沒有想像高,調查發現民眾主要的擔憂在於防疫安全的問題。

陽光照射造成皮膚溫熱感覺的神經活化機轉

陽光晒到皮膚,人體感覺到刺痛來避免過強紫外線。但為何感覺到刺痛呢?過去對光的生體受器著重於眼睛錐及桿狀細胞(Opsin 1/2),但它們在背根神經元 (DRG,神經末端主體細胞)的表現並不多。TRP channels表現在皮膚及神經。TRPV1是痛覺受器,引起鈣離子通透,Dr. Julius因它得到2021諾貝爾獎。TRPV1/A1受溫度、酸度等活化,但DRG的TRPV1/A1,是否會因紫外線(UVB)照射而影響,並導致鈣通透並不了解。我以不同強度UVB照射人類角質細胞或大鼠DRG,以螢光顯微鏡及流氏細胞儀測量TRP蛋白質表現,以實時影像來作動態鈣離子分析。結果顯示UVB增加DRG的TPRA1/V1表現。且UVB顯著增加角質細胞的TRPA1/V1表現,有劑量相關效後,惟UVB照射對鈣通透影響不大。結論是,UVB照射增加角質細胞及DRG的TRPA1/V1表現,可能與光照引起之麻痛有關。

發光蛋——簡易發光細菌培養法

現況下,國中小對於微生物培養並不普及,主因在於沒有足夠經費與設備。本研究發現使用:水解乳清蛋白、濃縮乳清蛋白、雞蛋蛋白等可以替代LB培養基。且各項替代培養基金錢成本比起LB皆下降七成至九成,並且有六種替代培養基於第24小時平均光強度皆大於LB培養基,且替代培養基中最高平均發光強度為0.296較同時間的LB之數值0.046高。此外,使用電鍋滅菌雖無法完全無菌,但仍有一定能力可作為滅菌釜的簡易替代;自製操作台則有替代無菌操作台的之較高可行性。本研究並發現雞蛋液態和固態培養基的製作,其材料簡單、培養效果佳,故具備中小學教學推廣的價值,以及發光細菌在毒物檢驗中的應用等極具有推廣的潛力。

兩全等多邊形重疊部分的邊長面積探討

本研究最初將兩正方形重疊,使其面積重疊處形成一八邊形,將此八邊形的八個邊分成兩組,發現此兩組邊長有1次方和相等、2次方和相等的性質。 而後我們將正方形推廣至正n邊形,討論什麼條件之下,可以使兩正n邊形重疊處為2n邊形。探討其中一正n邊形對另一正n邊形平移範圍的限制。再證明重疊部分2n邊形的兩組邊長之1~n-1次方和相等,最後再討論兩組邊長n次方和相等的條件。 除此之外,我們將正n邊形推廣到其他多邊形。發現有兩條互相垂直對稱軸的圖形與等角多邊形,也會具有兩組邊長1次方和相等、2次方和相等的性質。

深「植」你心——探討教室放置植物對學生的身心影響

植物具有綠化環境、淨化空氣的效果,並且能讓人保持愉悅、對身心健康有著正面的影響。我們好奇若藉由簡易的課室綠化布置,能否也對學生身心狀態有正面的影響,進而影響學習表現。本實驗之目的在證明鐵線蕨是否能夠吸收二氧化碳並改善教室的環境品質與學生的學習效果。實驗分為三段,階段一利用二氧化碳檢測儀測量鐵線蕨使教室二氧化碳濃度降低;階段二分別利用血氧儀與專注力量表 、 壓力量表,分析植物對學生生理與心理的影響;階段三利用課堂小考的方式檢測植物對學生學習表現的影響。實驗結果證明植物能夠使二氧化碳濃度降低,學生們的上課專注程度、 想睡覺的程度、壓力程度、上課學習表現也有不同程度的改變。

探討Dexlansoprazole的副作用-可作為ITE、芳香烴受體和糖皮質激素受體的內分泌干擾劑

我們將探討dexlansoprazole的副作用,是否會調節AhR和GR的活性。AhR和GR是細胞質內受體,在被其配體活化後,移轉入細胞核中,AhR和GR作為轉錄因子 (transcription factor),與芳香烴反應元件(arylhydrocarbon response element, AHRE) 和糖皮質激素受體反應元件 (glucocorticoid receptor response element, GRE) 結合。CYP1A1和FKBP5分別是受AhR和GR調控表現的基因。我們的研究顯示dexlansoprazole促進AhR和GR活性,從而分別促進CYP1A1和FKBP5的mRNA和蛋白質表現。此外,dexlansoprazole誘導AhR和GR移轉入細胞核。據此,我們的研究顯示dexlansoprazole是一種AhR和GR的促進劑。由於其活化AhR的效力低於內源性配體ITE,我們數據顯示dexlansoprazole抑制了ITE和人工合成的AhR 配體 (β-NF)誘導人類細胞中CYP1A1的表現,這顯示dexlansoprazole可能降低ITE作用於AhR的生理功能。

神秘的數字圓舞曲 - 探討質數環排列的存在性

如果正整數 存在環狀排列,使得相鄰的數字和皆為質數,則將其定義為質數環。 本文主要用不同方法探討質數環的存在性。在本文與文獻中,都沒有解出質數環通式的方法,因此我藉由孿生質數、類孿生質數、一般質數(相差不固定的質數組)等方法,證明對於特定值的質數環存在性,並使用程式驗證各定理在有限範圍能構造出質數環的整數個數、比例。 本文的貢獻之一在於發展出類孿生質數構造質數環的方法,我突破質數對相差變大會比較難找出數字間的關係的框架,延伸孿生質數的方法至類孿生質數,還結合一對孿生質數與一對相差四的質數以構造質數環。 更進一步地,本文提出不需要使用孿生質數的方法,擺脫孿生質數猜想,使這個問題更一般化。

利用昆蟲外殼與翅膀仿生奈米結構及SERS方法偵測污染物

現在環境汙染問題日益增多,汙染分子檢測的需求也逐漸被人們重視,但現在使用的檢測方法普遍成本偏高且方法複雜,於是本研究想研發一種便宜且簡單的檢測方法。利用PDMS(Polydimethylsiloxane)翻模金龜子外殼(Beetle Shell:BTS) 和豆娘(damselfly: DSF翅膀表面的微結構,並鍍上一層貴金屬銀研究表面增強拉曼光譜 (SERS)的增強效應及偵測微量分子的可行性。本研究通過試驗不同鍍銀厚度、基板在不同濃度的待測物下拉曼增強的能力。實驗顯示,PDMS-BTS和PDMS-DSF鍍上10nm銀後能偵測羅丹明6G(Rhodamine 6G:R6G)到10的-6次方濃度,是實驗發現最佳的參數,而一次檢測的耗材成本只需約17元,相較目前拉曼基板普遍用的雷射雕刻或3D列印技術製程還更經濟,未來會增加不同檢測物、鍍銀厚度或探索不同昆蟲微結構以找到最好的基板參數。