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高級中等學校組

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。

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。

探討親水性顆粒材料對仿生捕霧集水元件之效率影響及其製備參數控制

本研究仿照沐霧甲蟲的異質濕潤表面結構,將含有親、疏水顆粒(SiO2 與PTFE)的溶液塗佈於可熱縮之聚苯乙烯基材上,進行熱處理後即可獲得具捕霧集水功能之元件。接著,再改變溶液中親疏水顆粒重量比、總固含量、親水顆粒粒徑及親水性顆粒種類,試圖找出最佳的製備參數。 結果顯示,當親疏水顆粒重量比1:300、總固含量20wt%、SiO2顆粒粒徑10μm 時捕霧集水效率最佳,可達666.88mg/h‧cm²。此外,將本實驗中捕霧集水效率最佳之元件與陶瓷、高分子和金屬材料進行捕霧集水效率比較,其中本實驗設計的最佳參數捕霧集水元件有較佳的捕霧集水效果,是一種高效率、低成本的捕霧集水元件,未來希望能運用於水資源回收與再利用的設備上。

以資訊熵策略解決Nerdle Maxi 問題:尋找最少猜測次數的演算法

本研究試圖探索如何將資訊熵應用於Nerdle Maxi,Nerdle Maxi是一款數學益智遊戲,類似於Wordle,但要求玩家猜測出一個數學等式。遊戲的核心在於考驗玩家以有限的猜測次數,通過猜測獲得的回饋,縮小可能等式的範圍,最終猜出答案。此問題涉及對資訊的處理,讓我們聯想到資訊理論中關於不確定性的研究。根據Shannon的資訊理論,資訊熵可以用來衡量一個系統中不確定性,從而幫助我們找出減少不確定性的最佳策略。參考文獻後,我們發現有尚無人嘗試的作法,並實作、壓縮了猜測次數,保證我們能在六次內猜重。再將其與文獻中用在Wordle的做法融合後,壓縮平均猜測次數至3.38次。

次方總和公式的拓展

本研究以推導Sm(n)=(n∑k=1)km 一般自然數m次方總和的遞迴關係為起點,並進一步將其轉化為巴斯卡三角矩陣中的線性方程組。透過使用消去演算法,發現Sm(n)的多項式係數不論m皆由白努利數列控制。接著證明白努利數bk的重要規律,推廣次方總和公式在非正整數的意義。再用次方總和公式來加總任何解析函數(平行加總泰勒級數),整理得Euler-Maclaurin 求和公式,然而此無窮級數通常會發散,透過數種技巧估計餘式項上界獲得最佳近似部分和,用以求巴爾賽問題(Basel Problem)的近似解至小數點後18位。

「環」環相扣:環氧樹脂剪切強度探討

本研究旨在研究環氧樹脂AB膠熱固化反應後形成的網狀交聯結構,結合其黏著用途,探討不同A膠與B膠的配比與不同固化環境是否會影響剪切強度。更結合不同儀器測量膠水性質,希望達到佐證的效果。在80°C時增加固化時間,各比例皆無明顯變化,而在改變溫度到100°C及以上,3:1的配比因環氧樹脂過多產生自聚反應使機械咬合更佳。後續的實驗得知膠水對不同材質的剪切強度與其表面能有關,且在膠水中加入橡膠微粒後,能提高分子可承受的最大拉力。

分角曲線之探討

本研究探討給定平面任意三點A,B,O,滿足∠OPB=∠APO的點P軌跡為何?有什麼性質?我們主要運用複數解析求出曲線方程式,再運用其對觀察到的曲線性質進行證明,我們亦在作品中給出一些幾何解釋。之後我們更進一步更改兩角度之間的關係(如成倍數關係、差為定值等),得到了豐碩的成果。最終還發現此軌跡與其他曲線間的關聯,並說明了背後的幾何本質。

自指數列的週期現象

我們稱滿足遞迴關係an = aan−1 的非負整數數列為「自指數列」。本研究探討其循環性質,發現若存在某個非負整數m 使得am ̸= m+1,則數列從某一項開始會進入循環,且循環長度與am 相關。我們推導出如何根據初始條件計算數列的循環長度,並進一步引入週期與最小循環起始項的概念,定義per(s,p) 自指數列。透過研究,我們找出per(s,p) 各項滿足的充要條件,從而判定自指數列的值。最後,我們證明了一個定理,能夠從初始條件找出所有滿足條件的per(s,p) 自指數列。該定理使得求解數列各項的過程比原始方法更簡潔。此外,我們將此定理轉化為演算法,並以Python實作。

AI無人機檢測系統在建築磁磚剝落風險評估中的應用

本研究開發了一套結合無人機、紅外線熱顯像技術與YOLO模型的建築物外牆磁磚剝落檢測系統。該系統利用無人機搭載樹莓派與紅外線雙光雲台相機,對建築外牆進行檢測,以精確辨識空鼓與水泥裸露區域。我們透過紅外線熱顯像技術識別牆面溫度異常區域,並運用YOLO模型標示裸露水泥區域,最終將標示後的圖像進行分析與疊合比較,以評估磁磚剝落風險,並生成評估報告。 此外,本系統整合了3D建模技術,以重建大樓外觀,並結合風險評估報告,直觀標記出具有磁磚剝落風險的區域,提升使用者對建築維護的理解與掌握。該系統 除了 能提高檢測的準確性與效率,還有效降低時間與人力成本,為建築維護提供可靠的數據支持。

探討瓶內氣壓、溫度對光穿透模擬雲照度變化之影響-以金星與地球大氣為例

本研究分為兩階段實驗,實驗一欲探討改變氣壓與溫度對瓶中模擬造雲的影響。利用鹵素燈控制環境溫度、以打氣機改變瓶內氣壓,以光感應器測量光線穿過模擬雲氣的照度變化,探討模擬造雲的光學厚度變化。研究結果發現,氣壓較大和溫度較高時,產出模擬雲氣較多。以實驗數據提出經驗式,其中以改變氣壓對光照度下降之經驗式有最佳擬合結果。本研究提出之模型經驗證,最佳可得6.91%之誤差。 實驗二則在瓶中模擬金星大氣,改變氣壓和溫度,觀察模擬雲氣的變化。研究結果發現模擬金星大氣產生之雲氣較地球大氣多,且氣壓越高、模擬雲氣較多,在剔除極端值後,經驗公式之R2值可達0.99;而氣溫越高、模擬雲氣較少。實驗二之模型驗證結果佳,誤差為0.46至22.34%。