全國中小學科展

高級中等學校組

「泥」給我「電電」!-製作及改善二次水泥電池

「水泥電池」為一個以水泥為底的電池,想法是將水泥轉化為巨大的儲能裝置,而在2021年,首次有研究團隊將此概念擴展到了二次電池,此研究正是水泥電池的開路先鋒。而我們在這次的研究中,針對水泥基的電阻進行最佳化,發現水泥中電解液配方為在38公克的蒸餾水中加入0.5公克的CMC,3公克的矽酸鈉以及13.1公克的氫氧化鉀為最佳,能使水泥從原先16000歐姆的電阻降至514歐姆,降低96.8%。而我們也以自製的導電碳板代替碳纖維,製成了鐵及鎳電極,二次水泥電池首次充放電在8小時間功率有544微瓦特,第二次充放電有373微瓦特,只損失了31.4%。未來我們希望能繼續測試及解決電池的效能以及增加電池的能量密度。

從心開始—三角形的四心到各邊距離和

此研究討論三角形 ABC 的外心、重心、垂心、內心到三邊之距離,並依銳角、直角及鈍角三角形,去比較各距離總和之大小關係及相互之間的關聯性。其主要結果為: 1. 用外接圓半徑 R 及∠A,∠B,∠C 表示各心到三邊之距離。 2. 設外心、重心、垂心、內心到三邊之距離總和依序為d1,d2,d3,d4,其大小關係為: (1)在銳角∆中,d1≥d2≥d4≥d3,僅當正∆時,等號成立。 (2)在直角∆中,d1>d2>d4>d3。 (3)在鈍角∆中,d1>d2>d4恆成立。d3與d1、d2、d4比較,並無絕對關係,但在等腰鈍角∆,我們給出其大小順序的臨界值。 3. 在銳角∆及直角∆中,等式d2=2/3 d1+1/3 d3 和d2+1/3 d1-1/3 d3-1/3 d4=R 恆成立。

探討一種新穎腺苷調控藥物對於思覺失調症及焦慮症的治療潛力-以藥物及壓力引發之疾病小鼠為模式

思覺失調症與焦慮症皆是嚴重損害病人健康且造成社會極大負擔的精神疾病,急需研發有效治療藥物。本研究以藥物及壓力引發之小鼠異常行為為模式,探討新研發的新穎腺苷調控藥物(Novel Adenosine Modulator)對於這些疾病的治療潛力。實驗一以藥物MK-801引發成年雄性小鼠類思覺失調症症狀,給予新穎腺苷調控藥物可緩解曠野測驗中MK-801引發的過度活動量,且不會造成小鼠產生失樂症狀或體重改變。但對於MK-801引發的感覺動作門閾過濾反應缺損則無顯著療效。實驗二以不可預測長期輕微壓力(unpredictable chronic mild stress)引發成年雄性小鼠類焦慮症與類憂鬱之行為異常,新穎腺苷調控藥物可以改善小鼠的失樂症狀。這些結果顯示這個新藥具有潛力值得後續繼續研究。

基於深度學習之服裝試衣系統

本研究以AI虛擬試衣系統(Virtual Try-on模型)為主題,透過深度學習技術,並結合幾何匹配模型,最後開發出試衣系統,將使用者上傳的照片,模擬成穿著新衣的模樣。 首先,將人物原始圖片取出骨架節點,並生成人體遮罩以及保留人物頭部。而後將三個輸出合成為高維特徵圖。接著將目標替換衣物生成出依照人體姿態扭曲後的衣物圖片。最後於Virtual Try-on模型中,將人體高維特徵圖與扭曲衣物共同輸入,並經過運算後合成出穿著目標衣物之人體圖像。本研究結果發現,人物站姿單純,且雙手緊貼身側,以及拍攝角度為正面、衣服款式為短袖、背景色彩對比度較高與衣服圖案單純的原始圖片得出的結果圖片與測試圖片相似度較高。

細胞運算-於康威生命遊戲的自動化數位電路設計方法探究

「康威生命遊戲」是一款在1970年由劍橋大學數學家約翰•康威(John Conway)發明的單人遊戲,由棋盤構成的細胞組成,可以模擬邏輯閘元件,並且可以構建簡易計算器。 研究者在建構加法器和減法器的過程中,發覺手動放置電路元件非常耗時費力且容易出錯。為了解決這個問題,研究者決定開發一個能自動擺放元件的程式,以節省布局和放置元件所需的時間。參考了電子設計自動化(Electronic design automation)的概念,使用Python語言結合康威生命遊戲的應用接口模組,開發了一款自動電路布局程式。只要輸入邏輯電路的布林函式,就能自動設計、布局和放置元件,大大縮短了製作邏輯電路上的時間成本。因可直觀地展示訊號的傳遞和邏輯閘的運作,也有助於學生理解邏輯電路的運作原理,應用於教學。

探討IOD現象對熱帶氣旋之影響

本研究意旨探討印度洋偶極震盪(IOD)與北印度洋熱帶氣旋之間的關係。因氣旋原始數據過於複雜,在簡化氣旋各項數據後與再與不同IOD年份做比對,找出IOD與氣旋間 的趨勢,並以T檢定驗證兩者間關係的信心度,增加研究可信度。 研究結果顯示發生印度洋偶極現象的年度,其年最大氣旋強度平均值與年總氣旋能量指數平均值,均顯著高於正常年。且東印度洋生成的氣旋傾向生命周期較短但強度較強,西印度洋生成的氣旋則傾向生命週期長而強度較弱。

「紅」「輻」齊「天」- 紅外線溫度計測量雲底高度與其測量誤差變因之探討

本研究探討手持式紅外線溫度計做為低雲雲底實際高度測量的可能性,並探討其中可能影響紅外線溫度計測量之因素。我們發現:若直接以紅外線溫度計測得之雲底溫度換算高度,其與實際高度相差甚多。我們模擬測量雲底時的情形,探討比雲底高溫之空氣對於紅外線溫度計的影響。對大氣吸收與放射紅外線設計了兩種實驗加以了解。我們認為:當我們使用手持式紅外線溫度計測量雲底溫度時,雲底所發散的紅外線大部分被靠近雲底之大氣吸收,實際測量時雲底溫度高估之結果,應為紅外線溫度計視線範圍內靠近地表之大氣輻射紅外線總量綜合之結果,難以測量到雲底所發散的紅外線。

甩尾颱風

所謂「甩尾颱風」我們定義颱風移動期間行進方向急轉超過90度,就稱為甩尾颱風也稱為大轉向颱風;為了探討西北太平洋颱風大轉向的原因,以及了解颱風大轉向期間的經緯度分佈與轉角大小、颱風強弱變化、轉向花費時間和季節的關聯性。我們找出56個符合的颱風(其中包含一個颱風不同時間點出現2~3次的大轉向),依序分類、再參考中央氣象局的天氣圖與歷年颱風調查報告等資料,分別做出各種歸納與整理、並且提出我們的想法和結論。

香胰子 - 咖啡因製作肥皂的可能性

本實驗使用了有機鹼、無機鹼和生物鹼以及月桂醯谷氨酸來行皂化反應,藉此製作出三種不同的肥皂。這三種肥皂皆以五種比例來製作,分別為酸鹼莫耳數比1:0.9、1:1.2、1:1.6、1:1.85、1:2.1,並進行肥皂性質的測試,分別為pH值、乳化穩定性、起泡性以及表面張力。由於咖啡因皂性質表現不佳,因此由酸鹼莫耳比1:1.85改良了鹼的反應物,製成由三乙醇胺與咖啡因做為鹼的混合皂,再進行肥皂各項性質的測試,並與市售肥皂進行比較。

正N邊形等距異色之頂點最少塗色數探討

本科展作品在研究正N邊形的頂點塗色,定義相鄰兩頂點的距離為1,先設定距離m,規定若兩頂點相距m則塗不同色,求塗完N個頂點的最少色數。當只設定1個m時,我們研究出最少色數只有2與3兩種,並清楚區分出對應條件。而設定兩個m時,我們研究出最少色數有2 , 3 , 4 , 5等四種,同樣清楚區分出對應條件。最後推廣到設定k個m時,我們證出最少色數的絕對下界為2,絕對上界為2k+1。並以N、m的奇偶性細分各情況來做出更精密的上界估計。