全國中小學科展

高級中等學校組

蔗渣纖維素水解葡萄糖之研究

本實驗以不同類型酸作為蔗渣纖維素水解的催化劑,以及在不同反應條件(如:試液濃度、細菌分解)下,探討蔗渣纖維素催化水解的成效。本研究利用催化劑加速蔗渣纖維素水解成葡萄糖後,一部分溶液加入定量的斐林試液,觀察Cu2O(s)沉澱量變化,另一部分利用自製的旋光儀測定醣類的旋光度。進一步,想要利用催化效果佳的催化劑,改變操作時間及濃度,找出一個最佳的反應條件。同時利用最佳操作條件,改變水解液與蔗渣原料之比值,使蔗渣纖維素轉化為再生性能源能有效被利用。

看見聲音-聲音對皂膜影響之探討

本實驗在觀察不同頻率的聲波下,皂膜做上下振動所產生的波紋,皂膜顏色與厚度關係以及皂膜水平流動速率的變化。其中皂膜在不同自然頻率會產生特定的穩定上下振動波紋。而受聲波影響上下振動的皂膜會因慣性力和表面張力而有中心區和邊緣區內外的流動變化並產生漩渦狀的流動。在低頻率時,邊緣區向中心區的流動速率會大於中心區向邊緣區。高頻率時則相反。而在不同頻率時皂膜的流速變化則呈現一二項式向下的曲線。

液兒液兒瓶中轉

本實驗由鋁製空心管當作轉動軸心,壓克力管當作圓柱容體,在壓克力管中加入液體,再將鋁管與壓克力管組裝及黏合固定,以鋁管作為軸心置於轉速機上,並用支架加以固定。當轉速機開始運作時,壓克力管中的液體會產生各種圖形,其中包括Basic, Pool, Turbulence, Mountain, Sharp teeth, Waterfall。本篇文章主要針對為何形成Stable Sharp Teeth,以及各項變因對於圖形的影響進行討論,變因包含壓克力管長度及直徑、轉速機轉速、液體質量比以及液體體積,並運用黏滯力、表面張力、質量守恆定律、邊界及初始條件、雷諾數、流體不穩定性、Navier-Stokes方程式進行討論,其中黏滯力、表面張力、重力及漩渦是影響Stable Sharp teeth形成的最重要因素。

挑戰巨匠-探究魯班鎖之設計模組

魯班鎖相傳是過去木匠傳授徒弟學習榫卯技法,藉由拆解與組合的過程,訓練空間觀念、組合邏輯及解決問題的表現。現今益智積木皆以魯班鎖為原型,至今已變化出許多種類,我們研究的是具有階層設計特色之魯班鎖,因其有著特別的模組化特性。 研究過程發現不同階層的魯班鎖,有著奇妙的關聯性,透過歸納整理,外型分類為A、B、C型(圖1~3),依n階層(n≧3之整數)可演變出B型式之樣式有n-2種,C型式之樣式有n-3種,依設計者的寬度w與階層數n為變數,可推得各型式組件之尺寸、樣式及件數,進而推導出數學公式,樣式總數為2n-2及總件數為2n2-4n+3,藉此設計與解密n階層的魯班鎖,將複雜的古技藝簡單化,以嶄新的3D列印方式輸出,達到設計構想成實物之目的。

整數分割

本篇研究主要在探討「將n顆相同的球放入m個相同箱子的方法數fm(n)的性質」。我們先利用「正三角形內部任一點到三邊的距離和」及「正三角錐內部任一點到四面的距離和」為定值,求出f3(n), f4(n) ,進而得知fm(n)的公式是由一系列的多項式所構成。接著證明fm(Lmq+r)是q的m-1次多項式及當m≧2k-1, k=1, 2, 3時,第k高次項係數所構成的數列〈Akm, r〉為k階等差數列並求得ΔiAkm的一般式。 接著引進階差運算,證明在m是偶數的條件下,若〈Akm, r〉是k階交錯等差數列,則〈Akm+1, r〉是k階等差數列,進而保證〈Ak+1m+2, r〉是k+1階交錯等差數列,最後得證m≧2k-1, kϵN時, 必為k階等差數列。 若Akm為Lm的單項式,我們找到一個系統化求ΔiAkm的方法,藉此可求得數列〈Akm, r〉的任一項。最後給出一個關於Akm為Lm是單項式的猜想。

PODO123 (polyomino do math)

本研究係用「數列命名的方法」作為骨幹,解決或簡化連方圖形(polyominoes,也稱作連方圖形)的相關問題。連方圖形係指有限個方塊聯通、非空且相連。「數列命名的方法」係指將連方圖形的邊長連續寫成數列。若將連方圖形放在歐幾里得平面上,每個相鄰頂點之間的位移即是被記錄的邊長,故數列中紀錄的邊長含正負號,並且數列滿足兩個充要條件。 為解決使用「數列命名的方法」遇到的問題,目前建立了一套系統、技巧。是將特定圖形,此指連方圖形旋轉、鏡射、圖形合併等等。 研究發現此方法可以解一些連方圖形的問題,例如連方圖形的種類、任意的多個相同的連方圖形是否可以填滿(嵌滿)矩形(平面)。

強「磁」奪「鋁」-磁鐵於不完整鋁管中運動現象

原本認為不會產生渦電流的不完整鋁管(C型中空鋁管),竟然也能產生電磁感應,使磁鐵減速落下,且會產生在完整鋁管(圓柱形中空鋁管)中所沒有的轉動現象。為了模擬不完整鋁管,我們用鋁塊和壓克力塊製作各種組合管,實驗後發現各個排列組合都有其獨特的運動模式。後來我們深入探討磁鐵對單一鋁塊的其他變因,結果發現磁鐵的運動並不是僅受鋁塊面上單一種渦電流影響,而是與鋁塊產生的各種渦電流彼此交互作用。實驗中,我們歸納出三種不同形式的渦電流:正面面電流、邊界電流及側面面電流,推測正面面電流主要會對磁鐵施以鉛直向上的力使其減速,而邊界電流則主要影響磁鐵轉動。未來希望可以比較不同種渦電流的大小且導出磁鐵的運動方程式。

氣孔密度與植物光照需求關係之探討

本研究的宗旨在於探討影響植物氣孔數量和密度的各種可能因素,通過區分植物在光照需求、草木本質地及演化上分類的差異,將其葉片上氣孔密度做比較,觀察這些因素是否會影響植 物氣孔的數量與密度。經由採集校內各類植物葉片氣孔標本、計算氣孔密度,並以統計學的 方 式分析數據後,我們發現陽性植物的氣孔密度和陰性植物有顯著的差異,而耐陰植物則介於兩者之間(其餘的因素如草木本質地及演化分類,在統計上則無甚差異。而在未來,我們也會在影響變因的設定上做更 加嚴謹的設定及個別比較),藉此更進一步探究能影響植物氣孔數量的真正因素。

魚「藥」龍門-探討百合對斑馬魚各個階段的影響

百合具安心安神的功效,使我們想觀察百合是否對其他脊椎動物也有相同的作用,本實驗想藉觀察斑馬魚的發育及行為,探討百合對脊椎動物的影響。最初假設百合的濃度會影響魚卵存活率,經實驗發現浸泡在12.5%的百合溶液之溶液較其他濃度存活率及曝氣水高,但在胚胎的發育速率上則沒有差異;行為觀察上,浸泡百合後,斑馬魚由「沉底」狀態之恢復時間較未服用減少約40±5秒,符合我們的假設。除此之外,我們又做了空間學習,但發現百合添加並沒有太大的影響。最後我們總結濃度12.5%的百合溶液是目前對斑馬魚而言最適合的濃度,可有效改變斑馬魚的沉底行為,但在空間學習和成長速率目前則沒有差異。未來希望能更深入探討百合作用於斑馬魚間腦的機制。

製作簡便抗生素檢測系統-以生物檢測法結合機器學習辨識抗生素的種類

食品安全是現今台灣所面臨的一大問題,其中抗生素是殘留於食品中一大危害物質。本研究欲製作一套使用生物檢測方法的可攜式抗生素辨識系統,以簡易快速地初步辨識食品樣本中抗生素種類。本研究使用一間以色列實驗室提供的14株不同基改大腸桿菌,每株細菌受到不同壓力因子時會產生不同亮度的生物冷光。透過拍攝細菌在不同抗生素中冷光亮度,建立各株細菌在11種抗生素中亮度變化的數據資料庫,並利用機器學習訓練抗生素預測模型。測試結果顯示,此模型確實能快速簡易地依照作用機制檢測並分類樣本中未知的抗生素,且能在三小時內達到高達90%的準確率。未來將持續為此系統建立更大規模的資料庫,以辨識食品樣本中更多種類、濃度及多重組合的抗生素。