全國中小學科展

高級中等學校組

結合LSH及知識圖譜改善RAG

本研究透過結合局部敏感雜湊(Locality-Sensitive Hashing, LSH)與知識圖譜(Knowledge Graph, KG)以改善檢索增強生成技術(Retrieval-Augmented Generation, RAG)在檢索的時候難以在精確度與效率之間取得平衡的問題。透過使用LSH 將資料分桶,接著利用知識圖譜進一步篩選資料,以提高檢索的精確度與效率。 實驗結果顯示,結合知識圖譜與LSH後的系統,在精確度(precision)上可達到91%,相較於VectorRAG 的84%提升約8.33%,與GraphRAG的96%則僅有5.21%的差距。此外,本系統在檢索時間上較GraphRAG降低了95.38%。由此可以證實,透過結合LSH及知識圖譜能在保持高精確度的同時,顯著提高檢索效率。

多邊共舞,四方連心

本研究探討在正n邊形及圓內接多邊形構形中,若已知外圍三角形面積,是否可反推原構形的邊長與面積。研究建立一套幾何與代數互相轉換的流程,透過面積比例推導遞迴數列,進而構建高次方程,並提出新符號 𝑇𝑃𝑄 及 𝑈𝑛𝑞𝑝 表示不相鄰乘積和,以簡化代數結構。進一步運用數學歸納 法 與極值邏輯,成功證明:當高次方程 式 具有正實根時,其最大正實根必定對應唯一的 多邊形 限定構形;反之,若多邊形限定構形存在,也可唯一對應於高次方程式之最大正實根。此研究不僅提供幾何反推的系統化解法,也為代數方程的幾何詮釋建立明確模型,具備理論價值與推廣潛力。

解密K-探討CuSO4+NaI的平衡常數

本實驗想要研究CuSO4與NaI混合反應之平衡常數,首先,藉由CuSO4與NaI不同比例混合後的反應現象,了解反應進行的狀況。接著,分別嘗試測量平衡方程式:2Cu²⁺ + 5I⁻ = 2 CuI(白色) + I₃⁻ 特定物質的莫耳數,以便求出達平衡時,各物質的平衡濃度,解此求出平衡常數。 先後採用(1) CuI沉澱重量,(2)利用I₃⁻與NaOH的自身氧化還原反應,(3) Cu²⁺與 Na2S2O3和I₃⁻與Na2S2O3的氧化還原反應,求出平衡濃度與平衡常數。 前兩個方法,均遭遇困難,目前使用第三種方法順利求得平衡常數約為2×106。

銅銀奈米粒子形態控制與抑菌性研究

本研究探討銅銀奈米粒子的形態控制與抑菌性能。硼氫化鈉、寒天 Agar 及植物萃取液法,合成銅銀奈米粒子,TEM 分析粒徑大小和分散性,使用高效液相層析法(HPLC)檢測萃取液中的反應物質。結果顯示,銅奈米粒子在植物萃取液中穩定性較高,粒徑更小,具明顯廷得耳效應。銀奈米粒子因反應物濃度過高和穩定劑不足,容易聚集粒徑較大。奈米銅對大腸桿菌(E. coli)有顯著抑菌效果,而奈米銀抗菌性受粒徑影響較大。通過尖端放電,電擊處理過的奈米銀粒子,粒子數增加粒徑也明顯降低,使銀奈米粒子抑菌能力進一步提升。本研究為銅銀奈米粒子在抗菌應用領域提供了基礎,採用綠色化學製程所合成的奈米粒子,未來可透過合成條件的優化來進一步提升其性能。

船有吸引力?用疏水性材料破解船吸現象

本研究主要探討親水性與疏水性船體在船吸現象的影響。在原理方面,藉由作圖研究船吸現象、親水性與疏水性對彼此的影響,並藉此推導在理想情況下的加速度;在實驗方面,我們以試管去做驗證,發現親水性會互相吸引,而疏水性與親水性間會互相排斥。接著探討在不同變因下,親水性的船吸現象是否符合公式推導,而結果與推導出的公式相似:船寬及初始流速都與其成正相關,並且與質量不太有影響。進一步分析疏水性船體的影響,探討不同流速下疏水性是否都能對抗此現象,而在實驗過程中發覺中間水流似乎會衝向另一艘船,進而研究康達效應在本實驗的影響,並用其解釋實驗結果,最終,模擬真實情況的親水性障礙物,測試疏水性的船體是否能避免與它相撞。

大氣常壓微電漿合成共價有機框架應用於光催化降解汙染物

本研究使用一種快速、環保的共價有機框架(COF)合成技術,並應用於水中有機污染物的光催化降解。相較於傳統高溫高壓或需有機溶劑的合成法,本研究採用大氣常壓微電漿技術,在室溫條件下、以水為溶劑,於一小時內快速合成COF,展現綠色化學優勢。合成後以XRD與FTIR確認其具結晶結構與C=N官能基,均證明反應成功。實驗結果顯示,該COF能有效降解結晶紫(CV)與亞甲基藍(MB),分別在40與20分鐘內達到56.12%與68.09%降解率,明顯優於未加COF只照光的對照組。動力學分析亦符合擬一級反應模型。SEM影像顯示其具高度有序孔洞結構,有助提升光催化效率。本研究證實大氣常壓微電漿合成COF具高效率、低能耗與環境友善等優勢,未來可望應用於廢水處理與環境淨化等領域。

拍音型駐波與雙聲源肯特管的印證

兩振幅相同,頻率非常接近的聲波,反方向進行干涉,所形成具有駐波與拍音雙重特性的合成波。我們稱之為「拍音型駐波」。我們使用三角函數的和差化積分析其數學性質,預測其行為,並使用程式模擬合成波波型。 為了觀察聲波,先進行普通肯特管的研究,對照文獻,了解保麗龍球的行為。最後擴充為雙聲源肯特管,使用MATLAB撰寫雙聲道聲波程式,準確控制2個聲源的音量、頻率與相位,頻率差可以達到0.01Hz,成功驗證拍音型駐波的性質,並發現其可在介質中有效推動粒子,具有潛在的工程學應用價值。

好色之徒—塗色方法研究

本研究以排列組合的矩形表格塗色問題為出發點:「k種顏色,m × n的矩形棋盤方格,將上的每一格塗一個顏色,要求任意相鄰兩格顏色不能相同,共有幾種塗色方法?」首先,從1 × n、2 × n表格開始研究,接著往上延伸至3 × n。面臨複雜度的增加時,我們提出新的分類方式,考量各種情況,推導出遞迴關係式後,再以矩陣對角化的方式推導出3 × n塗色公式的一般式。在研究4 × n表格的塗色公式時,我們提出以「行」為單位的分類法來推導其塗色方法數公式,再以矩陣的形式呈現。後續透過觀察原有矩形表格分類,延伸探討頭尾相接的環形表格,推導出1 × n 和2 × n的環形表格塗色方法數公式。

綠意重構:葉綠素鐵對降解亞甲藍的友好新策略

現今有機污染物遍布,在處理有機物的文獻中,FeIII-TAML催化劑配製不易且Fenton反應需在酸性環境下才有較佳的效果。有鑒於此,本研究以葉綠素鐵(將葉綠素a中心的鎂離子取代為鐵離子)取代FeIII-TAML作為催化劑,探討是否能與之有相近的降解效果。本研究探討葉綠素a在不同環境下的穩定性,並評估葉綠素鐵對降解亞甲藍的影響。結果顯示,葉綠素a在暗室中較易保存。50ppm亞甲藍液3mL在反應條件為1000ppm雙氧水3mL、pH=10.3緩衝溶液8mL中,加入葉綠素鐵1mL,9小時後,去除率高達96.6%。本研究證實葉綠素鐵作為降解有機染料之催化劑的可行性,並提供處理鹼性廢水的新策略。

以線蟲模式探討代糖調控宿主與腸道菌相交互作用機制

代糖是一種低熱量的甜味替代品,雖在過去被認為對人體無害,近年研究卻發現代糖會引起腸道菌相失衡,有害宿主健康,但其機制仍不明。秀麗隱桿線蟲的腸道上皮細胞與人類相似,且腸道共生菌易觀察,適合探討宿主與腸道菌相間的交互作用。本研究以代糖乙醯磺胺酸鉀(acesulfame potassium, AceK)餵食線蟲,發現AceK在腸道共生菌滅活狀況下,能夠藉由減少腸道粒線體自噬作用、上調抗氧化基因sod-3並增加線蟲體內的H2O2濃度,使線蟲壽命延長;但在腸道共生菌的交互作用下,上述效果皆減弱,AceK反倒促使線蟲腸道菌量增加,因此干擾宿主利用H2O2控制腸道菌量的能力,導致線蟲提早死亡。本研究發現AceK會使腸道菌量失衡,並進一步探討過量的腸道共生菌與宿主競爭AceK並影響宿主生理功能之機制。