全國中小學科展

高級中等學校組

瓦斯爐節能熱水器

第一代版的瓦斯爐節能熱水器製作是在爐架外圈包一層薄的銅片,增加熱收集面積,銲接銅管環繞外圍通水循環收集熱能,二代瓦斯爐節能熱水器製作的水路是在設計在瓦斯爐節能熱水器裡面,熱收集面積效率更佳,水道收集四面八方熱量,這樣產出的熱水溫度比一代高。我們將瓦斯爐節能熱水器做成內凹式斜面,這樣火到鍋底時會在將熱能反射到瓦斯爐節能熱水器斜面,讓熱能更集中在鍋底且防風效果佳。 系統功能方面,當瓦斯爐開火後,「瓦斯爐節能熱水器」溫度感測器偵測到溫度上升時,水循環便開始啟動回收熱量。設有水位偵測器,當儲水桶內水量有變化時,顯示介面的水位指示燈會顯示訊息。熱水管路有加裝洩壓閥保護,避免壓力過高造成危險。使用者也可以透過手機APP 監控系統情況。

運「鐵」成「峰」──鐵磁流體的製備條件研究與磁場下的流變效應

本研究嘗試製作商用規格,並具備相同流變現象的鐵磁流體。我們收集大量鐵磁流體製作的文獻,但普遍未提到具有良好流變性質成品的關鍵因素。為此我們設計了一套標準製作流程及器材,找出成分比例(鐵源、界面活性劑、載液)和合成步驟(攪拌、酸化、洗滌、乾燥)及反應環境(溫度、空氣)對鐵磁流體的影響。使用ImageJ計算尖峰數。利用SEM、EDS與XRD分析,成功製得粒徑<15 nm之奈米粒子。 製程中是否接觸空氣對奈米粒子的磁性產生極大的影響,未通氦氣保護時酸化pH=2.5-3;而通氦氣保護時酸化pH=4時,具有最佳的磁性。然而酸化至pH=6時化學性質最為穩定。混合水與磁流體時觀察液面產生的特殊現象,尚未被文獻提出。我們稱之為一種新形態的「不穩定現象」。

結合物聯網與低功無損音樂傳輸的智慧書架音響

本專題設計一個音樂展示書架,結合射頻無線傳輸技術(RFid)感應在音樂CD上的射頻標籤,再透過低功耗藍芽傳輸技術(BLE)來傳輸資料給樹莓派媒體中心,透過資料庫程式去搜尋無損音樂庫中相對應的音樂,最後以高傳真數位類比轉換器(HiFi DAC)還原聲音的類比信號再傳輸至真空管擴大機。以既方便又無損害音質的方式來呈現大家所熟悉的藍芽音響。同時為了讓這項商品能夠應用在商業展示場合與藝術人文空間,我們讓播放音樂就如同向大家展示一張音樂CD一樣,只是將之放置在一個木質書架。且為了讓書架不需要插電或是充電,我們採用低功耗的藍芽傳輸並配合深眠模式,做出僅使用室內光源就能夠使用的智慧書架,更適合安置在一些不希望電線裸露出來的藝文空間。

好咖配好茶

俗話說「資源再利用,環境永常青」,本研究取樣淺焙及深焙咖啡渣與茶葉渣經過不同時間發酵後當作肥料進行白菜植栽顯示,白菜種籽較適合於酸性咖啡土中發芽,而茶葉渣土壤pH值相對較鹼,雖會延緩發芽,但因土壤富含營養,於成長後期更有利白菜生長,並以發酵2週土最佳。實驗中擇優取淺焙咖啡土與茶葉土混合當肥料,最佳可獲得比淺焙咖啡土高出5.17倍的成長。進一步讓白菜先於淺焙咖啡土發芽後再移植至全茶葉土,成長速率可達淺焙咖啡土的15.8倍。此外,富含鉀離子的茶葉土所種植的白菜能透過減少葉片氣孔數、使澱粉代謝,並藉由根部提前累積脯胺酸來應對滲透壓變化,以增加根系與葉片對抗鹽逆境與缺水的問題。本研究利用適化咖啡土pH值與茶葉土養分相互搭配,可有效縮短發芽時間、大幅增加產率,並提升耐鹽抗旱能力,除有助活化廢棄物外,並可提升農業競爭力。

擺脫佩爾方程之另解圖形數

多重角數之間的關係,在眾多文獻中已然有了答案,但尋求答案的過程多半利用繁雜的遞迴關係式或者利用「佩爾方程式」。然而無論任何一種,皆非高中課程所能涉及,如何突破此一關卡,利用高中所學觀察多角數之間的關係,是本研究的主要目的。 意外的是,我們發現利用矩陣解決多角數關係的不定方程,除了可以擺脫文獻中使用佩爾方程式通解的方法,而且我們所需的條件更簡便容易,不需要利用多個初始條件,僅高中所學的矩陣知識,我們可以順利的利用多重角數的一組顯然解(s,t)=(1,1),以及基本矩陣,找到一條簡便、且令人容易理解與計算的道路。

洞築先機-探討預先戳洞提升綠豆耐鹽能力

閩南語有句俗諺:「打斷手骨顛倒勇」,人能在受傷後成長,越挫越勇,那植物呢?本研究發現,綠豆葉片在預先接受戳洞的物理刺激後,對生長不僅不會造成負面影響,更反而能提升綠豆耐鹽能力!隨著戳洞數增加或是延長戳洞後放置時間,皆能增強綠豆的耐鹽能力。深入研究結果顯示,戳洞刺激可能藉由鈣離子作為訊號傳遞分子,最終提升綠豆體內抗氧化酵素活性,藉此降低植物在逆境下的氧化傷害,提升其耐鹽能力。未來期望能將研究成果推廣至農業應用上,使其在面對天災人禍時,可以減少農損。

多孔性氧化鋅矽藻土複合材料在抗菌上的應用

本篇研究以矽藻土為原料,藉由添加無機物及抗菌材製作一兼具多孔性及抗菌功效之複合材料,為了製作高比表面積的氧化鋅粉末,以自行組裝改良式直接沉澱裝置,比較反應溫度、體積流率以及滴定速率對產物粒徑的的影響,在材料造孔實驗方面,採用精鹽、硝酸鉀以及過碳酸鈉作為造孔劑,以溶解方式形成孔隙結構。由實驗結果得知,矽藻土經摻混水泥砂可獲得極佳的成模強度,而改良式直接沉澱法證實降低體積流率以及提高反應溫度皆可有效提升產物的比表面積,當反應溫度由25°C上升至60°C,所製備的奈米氧化鋅粉末的比表面積可達15m2/g以上,約為原先的5倍左右,將含有68nm 5%ZnO的多孔性矽藻土複合材料進行抗菌實驗,在水相環境下對於大腸桿菌的抗菌率可接近100%。

應用行星輪系於磨墨機構之設計與分析

市售磨墨機使用時都需要專用硯台,因此侷限了磨硯之泛用性。還記得小時候玩過可以畫出花型曲線萬花尺,這曲線成形定義是由內擺線所構成,適巧這運動軌跡可應用於磨墨機構。本研究應用連桿與內擺線運動機構配合進行軌跡設計,原理是運用連桿一端(與萬花尺小齒輪上一支點連接)及連桿中間具一可滑動調整鈕之運動限制,使連桿另一端點(墨條端)產生軌跡變化。透過實際組裝後測試,調整小齒輪上連桿端支點位置設定,便可以畫出大小不同圖案,另外只要調整連桿中間調整鈕位置,便可以變化輸出不同長寬比曲線,此比值可以變化適用於不同形狀及大小硯台。完成確立實驗後,我們將整個作品做最佳化設計,以符合實際使用者的需要。

信標和微波雷達技術在健康照護之研究

本作品包含三個部份:1.利用微波雷達模組感測輸出都卜勒信號頻率與被檢測目標移動速度成正比關係,只須動態取樣和判斷都卜勒信號頻率變化就能實現一種實用的非穿戴式跌倒偵測器。2.將大型室內空間劃分為多個子空間,整合信標藍牙技術、智慧手機和LoRa無線界面,即可在遠端對整戶或任一子空間執行快速目標搜索。3.利用信標藍牙、微波雷達和毫米波雷達等技術,使傳統醫療院所護士推車具備解鎖啟動保護、目標位置檢測與方向修正、自動跟隨、用手輕壓觸控控制盒表面即能執行“手把手”工作模式和前進無段變速等多項創新功能。在不同實驗條件下,分別對完成後之不同實驗模型進行功能量測、記錄和分析,實驗結果顯示本作品確實可以滿足預期設計目標。

金枝玉葉-三維細胞組織培養技術及人造肉技術之探討

近年來糧食危機日益嚴重,而如何解決這項問題成為人們非常關切的問題。人造肉是如今許多生技公司都致力於研發的技術,但至今無法量產的原因非常值得我們去探討,而其中的原因包括食用的安全疑慮的問題、二維到三維的生長技術之突破等,而經過與指導老師討論過後,我們認為在其中幾點中,成本過高是一項重要的因素。 所以我們這組進行的實驗研究是為了要探討如何降低製造人造肉所需的成本。而在造成其成本稍高的幾種因素中,我們主要針對人造肉的支架之成本進行探討。我們想要以取得容易、處理過程簡單的葉脈作為人造肉的支架,進行三維細胞組織培養。所以我們決定以植物的葉脈做為替代支架,並透過實驗探討其可行度。