全國中小學科展

高級中等學校組

綠能智慧省力電動助行車

本研究研發電動助行車騎乘輔助裝置,能依車主的體重和爬坡的角度,自動判斷並給予自行車適當的助力,車主只要依規畫好的速度騎乘就能使自行車持續前進輕鬆踩踏,達到健康騎乘的效果、提升自行車騎乘樂趣,騎車資訊整合於車頭螢幕以提供車主瞭解騎車之各項功率數據。本研究建立自行車最佳化騎乘之功率曲線圖,為瞭解騎自行車爬坡所需功率,車主可依自己的FTP值(功能性閾值功率),查詢爬坡之騎乘速度,查詢爬坡所需之功率與騎車可維持之速度,以協助車主完成自行車的騎乘,騎車過程中車主可觀察螢幕顯示速度是否過快,以確保車主的體能能夠負擔,並順利完成騎乘活動;作品結合太陽能板發電,強化電動助行車之電能部份。

賊頭賊腦詭計多-應用機器學習軟體探索虎斑烏賊的捕食行為

我們探索虎斑烏賊捕食動態獵物行為,分析捕食策略,建立捕食行為模型。結合程式控制機械手臂帶動蝦子移動,高速攝影機連續拍攝烏賊細微行為變化,再藉助新近問世機器學習軟體DeepLabCut快速量化烏賊姿勢變化,並發展修飾演算法修正DeepLabCut輸出缺陷,提高辨識率,讓軟體動物烏賊的姿勢辨識首次成為可能,從而建立分析捕食行為的大數據。烏賊捕食動態獵物時嘗試與獵物同步行進,即使烏賊已游進它的攻擊腕可觸及距離,仍有漫長的捕捉等待時間,創造同時滿足注視與定位獵物條件的最佳捕抓時機,才在視覺回饋參與下射出攻擊腕捕捉獵物。我們依此提出新的烏賊捕食行為模型,可以同時解釋動態與靜態獵物的捕食行為。我們認為烏賊等待最佳捕抓時機的策略是智力的表現。

利用石墨烯、廢油、及回收保麗龍,製作環保導電油墨

本研究探討利用過期廢油及保麗龍,配合導電導熱性優異的石墨烯粉末,製作環保導電油墨。研究動機在於將過期廢油與保麗龍進行二次利用,發展新科技產品。石墨烯方面,我們比較三種粉末,評估次級品或下腳料的可用性。 本研究分為五部分,第一、二部分探討石墨烯的結晶物性,元素組成及粉末的微觀片狀形態。第三部分探討石墨烯粉末的導電性與其片狀形態之關聯性。第四部分探討廢油是否能與石墨烯相結合,測試石墨烯的吸油度,第五部分我們嘗試自製導電油墨,利用廢油混合石墨烯粉末,同時也利用保麗龍及適當溶劑,調製成溶液作為稀釋及成膜劑。初步我們已成功得到性能不錯的導電塗膜,並自己組裝電路,由燈泡亮度展示塗膜的導電性。

結合綠能的魚菜共生

一、魚菜共生,對於都市中的人們來說,有著莫名的吸引力,因為聽到以魚的排泄物來種菜,這是一個很好的概念了,我們只要給魚吃飼料,魚的排泄物就可以透過硝化轉換成蔬菜要的硝酸鹽,可以魚菜兩收,又可以省水愛地球,還有收成時的心靈滿足,以及療癒的功效,真的是一件好事可以多面豐收,何樂而不為! 二、一般而言,1公斤的魚可種植50公斤的蔬菜。另根據英國魚菜共生協會(Aquaponics UK)提供的數據,養1公斤的魚,生產至少50公斤蔬菜和0.8公斤魚肉。「魚菜共生」有機農耕,是利用水裡的魚釋放養分給菜,菜再吸收養分淨化水的一種有機耕作法。

迷途知返-從組合遊戲的觀點探討序列等角多邊形的解

文獻[1]中有一道趣題,作者給出了n=5,N=n2=25的3組解,及其中一組解所對應的幾何圖形。本文分兩大方向去討論: (1)n為奇質數時,將原組合遊戲轉換成捷徑圖,發展出一套策略,找出了文獻[1]的3組解及對應的序列等角多邊形,並利用策略解出了n=5,N=24、N=20;n=7,N=49的解。 (2)n為偶數時,因不可能滿足各頂帽子的總和均相等,轉而由幾何觀點出發,利用等角多邊形的性質,搭配偶數邊求解的策略,找出偶數邊的序列等角多邊形,並修正文獻[2]中偶數邊序列等角多邊形的觀點,重新賦予偶數邊組合遊戲的意義。最後針對規律解做推廣,求出n為奇數,N=n2、N=n2-1及n為偶數,N=n2/2、N=n2/2-1的規律解。

地震頻率-花蓮市周邊地震探討

台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的交界,台灣各地常出現地震,導致無數地震產生與人命金錢的損失。 本次研究使用中央氣象局的地震紀錄、MicrosoftExcel,探討花蓮地震、台東海端地震前後的a 值與b值變化。從古登堡-芮克特關係式中發現主震發生前a、b值會有下降趨勢,並能預估可能發生的最大規模。 實驗中我們將實際資料與古登堡-芮克特關係式算出的資料作比較,發現實驗迴歸線的a值、b值、最大規模預估等數值與實際觀測非常符合,並分析當地未來的地震趨勢。

血跡檢測-色素替代試劑與現行酚酞法之比較

血跡試劑通常利用氧化還原反應,檢測樣品當中是否含有血紅素,現行卡斯特-梅爾呈色試劑成分為還原酚酞,並以肉眼判讀試劑是否由無色變為粉紅。因其呈色易與血液樣品混淆,本研究改用Python、OpenCV、numpy進行試劑呈色之飽和度分析,輔助判讀試劑變色變化,並以食用色素靛藍、亮藍取代酚酞,製備顏色變化不同的血跡檢測試劑。結果顯示還原亮藍顏色無明顯變化,而還原靛藍則可取代還原酚酞進行血跡鑑定,且試劑顏色判讀為紅色變為黃色或無色,不易與樣品混淆。在反應速率測試中,還原酚酞與酒精以體積1.5:1混合;還原靛藍與酒精以體積1:1.5混合,試劑靈敏度最佳,偵測極限分別可達10-4與10-3的血跡樣品濃度。

當地球發燒時,台灣的稻米產量怎麼了?

受到全球暖化的影響,不但造成沙漠擴增、極端氣候加劇、雨林逐漸消失,甚至威脅人類的生存,根據2014聯合國農糧組織報告:全世界仍有39個國家面臨糧食危機。這點勾起我們的憂患意識與興趣,想進一步了解目前全球暖化與台灣稻米產量間的關係。經利用文獻探討及Excel趨勢分析統計,得知以下幾點結論: 一、 台灣的氣溫上升趨勢也與全球趨勢相似,屬於暖化階段。 二、 1976年大約能代表台灣水稻受全球暖化的氣象環境影響依據年代。 三、 台灣稻作產量與暖化的關係,大略可以用飛機起飛、降落、著地三階段模式做為解釋。 四、2001至2014年台灣耕地稻米每公頃平均產量,以Excel做趨勢分析統計得一關係式:y = 0.001x6 + 0.442x5 - 18.19x4 + 256.9x3 - 1546x2 + 3833x + 1644。

大「逆」不道 —— 局部逆境下植物體內傳訊與物質分配機制

植物一葉片受到逆境時,其體內如何將逆境訊號傳遞到其他組織並進行物質分配?此領域過去研究甚少,而品萍特殊的葉狀體相連構造搭配二分盤裝置,很適合處理局部逆境並探討體內傳訊與物質分配機制。研究發現:當母葉遭遇局部逆境時會將健康子葉釋放以減少子葉產生連帶傷害;而子葉遭遇局部逆境時,母葉選擇保留子葉並持續送物質助其生存。深入研究發現,逆境子葉累積的ROS將觸發物質分配,使其向母葉傳送求救訊號,促使母葉內部以Ca2+做訊息傳導後將物質送往子葉助其生存。選擇性斷裂則由母葉內部Ca2+與ROS共同調節觸發,母葉遭遇逆境時, Ca2+為上游觸發母葉節處累積ROS並向子葉傳遞單向斷裂訊號,使子葉節處累積ROS後誘導斷裂,降低母葉對子葉的連帶傷害。

水塔與水撲滿-雙液體阻尼器之防震研究

本研究在探討11層大樓建築物頂樓水塔配合陽台天花板設置水撲滿,是否能有效達到減震阻尼的效果。過程中利用3D列印機自製固定水撲滿設備以及不同形式網狀隔間液體阻尼零件,並以電流調整器控制怠速馬達,自製地震模擬器來模擬不同震度之地震來實驗。 實驗中發現不同液體消能元件加裝網狀隔間,水波擾動震盪越明顯阻尼效果越佳。當地震來臨時樓層越高震盪越大,11層大樓可藉由設置在最高樓處,三組平均排法網狀隔間水撲滿,並配合水位設定六分滿,平行器壁網狀隔間正方形水塔,這種形式雙液體阻尼元件與大樓產生最大共振會發生在模擬震度4級,可以破壞模擬震度5至7級震波對大樓產生的,順向波大樓共振與大樓結構本身扭轉共振,液體阻尼效果最佳。