全國中小學科展

高級中等學校組

棋盤上的飛舞機器人

本研究從圖論的角度探討桌遊「Micro Robots」所引出的相關問題。 第一部分,提出並證明同心圓法、鄰接矩陣元素的加法、鄰接矩陣的乘法,可以計算遊戲地圖中任兩點的最短距離、最短路徑與最短路徑數,分別將三個演算法撰寫Python程式,並比較其功能與時間複雜度。 第二部分,探討遊戲地圖上的參數:兩點平均距離的極值,並引出遊戲地圖設計的問題。 第三部分,探討鄰接矩陣、卡牌矩陣、位置矩陣與地圖的關係,進而提出一套演算法,以處理滿足給定條件地圖之存在性與設計方法,並將演算法撰寫Python程式。

化學反應於振動空間之顏色分布探討

水溶液的化學反應通常具有許多型態,如氧化還原、酸鹼中和等。利用搖晃產生的化學反應,如藍瓶反應,雖可利用搖晃,使空氣中氧氣溶解產生氧化還原反應,但無法控制搖晃的頻率。本實驗裝置可用振動強化水中的化學反應,讓溶液內同時存在不同顏色的氧化還原態、酸鹼值的非平衡狀態並具可再現性。 驅動液體振盪可控制氣體(如O2和CO2)在水中的溶解,在溶液中產生不同的化學模式(如氧化還原態或酸鹼值之差異),藉由向氣液界面持續供應能量來控制溶液中的化學反應,讓溶液的表面呈現特定的圖案,將溶液狀態分離成具特定圖案的反應模態。 實驗中觀測不同共振模態時,所對應的特定頻率與駐波圖案,找出使溶液達成共振的決定因素和條件,進一步探討其應用。

接好接滿—內接正多邊形之特徵與面積

本研究主要針對大正m邊形內嵌小正n邊形的內部圖形做探討,初步想法:因為對稱,所以中間交集的圖形大概也是正m邊形,或沒有交集!但事實似乎不是我們所想的那麼簡單。首先在Geogebra繪製了許多圖形後,發現n的奇偶性會使圖形內部的重疊區塊有不同的特徵及規律,並進一步依照m>2n、m=2n、m<2n分細項探討。接著,本研究使用數學法則證明了此規律的一般性質。特別值得一提的圖形有二: (1) m, n皆為奇數且m<2n的圖形會交集出邊長相等的非正2m邊形,此2m邊形既非正多邊形,頂點亦不共圓! (2) m為奇數且n為偶數且m<2n的的圖形會交集出正m邊形,唯獨(m, n)=(7, 4)是例外的,它會出現沒有交集的結果。 最後,我們以鋪磁磚問題落實面積通式之應用。

生醫監控守護神

本研究主要利用Pulse Sensor脈搏心率心跳感測器,偵測人體心跳,並將數值資料透過Wi-Fi傳輸,回傳至電腦程式做解讀與判斷,即時判斷出受測者的當下的心跳狀況。而我們自行撰寫設定與顯示介面之程式,可顯示心跳相關數據,亦可即時繪出心電圖(需有線連接電腦),當無線遠端監測時,只要連接到網頁就可以即時掌握穿戴者的脈搏現況。當電腦程式判斷出心跳不正常時,可發出緊急通知至手機(社群軟體),通知管理者與照護者做出必要措施。

以小見大—從大小礁溪沖積扇群窺視蘭陽平原的演育

蘭陽沖積扇及其平原的演育,一直是地球科學界所注目的焦點。許多的學者或由地質、或由地形、或由地球物理提出他們卓越的論點;本研究嘗試換另一個角度:以沖積扇去推測宜蘭二萬年前至今的平原變遷史;在整個研究中,結合平原內的地質、地球物理及古海平面資料,藉由文獻探討、GIS、多元迴歸與物理原理,去推測它們之間的關聯性。結果修正以往的看法,認為導致宜蘭平原雪山山脈側沖積扇的規模及數目較大的說法,可能是受斷層作用及陡降的基盤面等控制因子影響所致;另外利用多元迴歸分析,預測8000年前至3000年前海岸線的位置與陳文山(2005)推測海岸線位置相當吻合;並提出:宜蘭平原古沖積扇演育大致可分成四個時期的新模型。

「虛擬」觸覺「真」回饋─Arduino與加速規的觸覺回饋應用

觸覺回饋(haptic feedback)能讓使用者感受模擬的觸碰反應,可以在不接觸物體的情況下,模擬物體表面質感或紋理細節等細微的觸覺資訊。我們使用arduino與加速規為實驗器材,先驗證物體在水中的振盪為簡諧運動,以說明此器材的準確度,並熟悉加速規與arduino的使用。 接著將觸覺回饋的實驗分為兩類,其一,探討一維下不同材質粗糙面沿垂直軸的振盪,並由斜面實驗求得對應的摩擦係數;其二,探討二維角度改變對加速度與角加速度所造成的影響。最後使用上述分析之數據製造出一套器材,在虛擬中模擬接觸到物體表面與物體邊角的觸覺,達到觸覺回饋機制的效用。

蝦包了!鐵之呼吸—磁性粒子清除水汙染

我們製備了兩種再生材料,用於去除水中汙染物:一、將鐵鏽轉化成Fe3O4磁性粒子,此粒子可以有效率地吸附水溶液中的磷酸鹽(10分鐘可達85.5%的去除率),且在酸性條件下(pH = 4)有最佳的效果。吸附後粒子取至鹼性的水溶液(pH = 13)中,磷酸鹽即可脫附分離。二、由蝦殼中提煉幾丁聚醣並將其包覆在Fe3O4磁性粒子表面上,形成Fe3O4/幾丁聚醣磁性粒子,此種粒子則是可以針對水溶液中銅離子進行有效率的吸附(5分鐘可達80%的去除率)。Fe3O4/幾丁聚醣磁性粒子在水溶液(pH = 4.7 )中吸附銅離子後,將吸附後的粒子轉移至6 M氫氧化鈉水溶液或濃氨水中,銅離子可脫附分離。

攜帶型直笛檢測器研發與呼出氣體分析

以往呼氣分析皆是在醫院及研究單位進行,且呼氣檢測可提供診斷疾病的資訊。文獻中指出,血糖值上升則呼氣中CO2濃度上升;血糖值下降則呼氣中CO2濃度下降。本研究發展攜帶型直笛檢測器(簡稱FRD)分析呼氣,採用市售直笛組合自製流速計,搭配APP-Spectroid測量吹入氣體聲波頻率,比對聲波頻率與分子量相關性,並加入氣體絕熱指數的校正。本研究FRD完成N2與CO2校正,得到高再現性結果,以N2和CO2不同比例混合氣體作為標準品,完成檢量線。人體呼氣測試以多步驟集氣袋模式排除水氣,並將測出呼氣平均分子量換算與校正得呼氣中CO2濃度。本研究有效開發FRD並發展微小化輕便檢測器,降低檢測器成本易推廣於大眾,更能夠收集大數據促進國人醫學與健康的研究。

探討空氣鳳梨吸收鹽類的構造與運輸鹽類的機制

本研究主要探討空氣鳳梨吸收與運輸鹽類的機制。首先,製作空氣鳳梨石蠟包埋玻片以觀察其表皮和內部構造。再來,分別以浸濕硝酸鉀水溶液的棉花包覆葉子不同部位,和對空氣鳳梨噴灑不同濃度的硝酸鉀水溶液,觀察空氣鳳梨在短時間內(1-3小時)與長時間下(14天)運輸硝酸鉀的情形。本研究發現:毛狀體是空氣鳳梨吸收鹽類的構造;空氣鳳梨吸收硝酸鉀後,短時間內會將其由高往低濃度區域運輸;長時間下硝酸鉀則由葉基部向尖端運輸,以抵抗高鹽逆境。最後,本研究提出空氣鳳梨運輸鹽類的路徑為:溶於水中的鹽類經由毛狀體進到植物體內,透過水的蒸散拉力將鹽類由葉基部運輸至尖端。未來,希望能以空氣鳳梨作為檢測環境汙染物與酸雨的指標性植物。

近朱者赤,近墨者黑 - 水溶性(小)分子結合誘導蛋白質(巨)分子疏水性下降

以蛋白質的親水性和疏水性為基礎,以電泳來觀察結果。起初,我們試著找出最佳的蛋白質觀察濃度,發現使用的蛋白質本身已經具有雙硫鍵,利用蛋白質會附著在PVDF(聚偏二氟乙烯)膜上的特性,我們嘗試去除可以打斷雙硫鍵的DTT(二硫蘇糖醇)分子。利用SDS(十二烷基硫酸鈉聚丙烯醯胺凝膠電泳)把蛋白質從PVDF上取下時, 我們觀察到可以利用疏水性強度來競爭蛋白質的結合。我們轉向利用不同碳數來分類蛋白質,使蛋白質和含碳基質利用疏水性作用力保持在弱結合的狀態,此處我們用 4 碳和 8 碳漂珠來當代表,再利用水溶性小分子和特定蛋白質結合,結合後的小分子蛋白質共體和含碳基質的作用力下降,共體就會溶離釋出。此實驗對於尋找會和特定糖類結合的蛋白能有效的提供資訊。