全國中小學科展

高級中等學校組

頂心三角形誕生的奇蹟

在第59屆科展作品(中華民國第 屆中小學科學展覽會換心手術)有給定了一個新的名詞(頂心三角形):平面上給定△ABC及一點D,分別以A、B、C三頂點為圓心,¯DA、¯DB、¯DC為半徑畫圓,三圓交於三點E、F、G,再以三交點E、F、G為頂點作△EFG,則新△EFG稱為△ABC在D點的頂心三角形,本篇作品主要探討原三角形與其頂心三角形邊長與面積比例關係及頂心線相關性質。

幾何配數歸,碰出新滋味

本研究主要在探討正多邊形翻摺時,其摺邊與邊所圍成三角形周長的規律。原題目如下:「給一正方形ABCD、將A摺至(CD) ̅上任一點E,翻摺過去的(AB) ̅與原(BC) ̅交於F。試證△CEF的周長為正方形邊長的兩倍。」 本研究先以軟體觀察數值,發現其規律在奇數邊形與偶數邊形時不同。正奇數邊形折點左右兩三角形相加值與多邊形邊長的比值為定值,其值與多邊形內角三角函數值有關;正偶數邊形折點右邊的三角形周長為邊長2倍,且摺點、原多邊形頂點與線邊交點的角度也與偶數的邊數有關。除此之外,也找到了正多邊形翻摺後所形成之各三角形周長在適當配組後,其和有定值的不變性規律,及推廣摺到任意邊上,其三角形周長和或差為定值的規律。

「雨」神同行—論屏東地區對流雨與氣象要素之關係

屏東地區是台灣重要的農業產區,盛產鳳梨、芒果等多種水果,而瞬時的強降雨經常造成農業損失,甚至造成土石流或山崩。本研究中主要探討屏東地區四個氣象站在有無午時對流雨事件時,其對流雨與氣象要素相關性。首先我們分析屏東地區午後對流雨與氣象要素的時序分布,發現有無對流雨事件時並無太大差異性。接著分別探討氣象要素在有無午後對流雨事件前頻率及條件機率之逐時變化。根據結果,發現如果1)實際水氣壓大於22.5hPa,2)相對濕度介於55%至75%,3)風向轉向西南風,則發生對流雨的機率會增加。推測上述參數可能與太陽熱力效應及夏季西南季風有高度相關。未來將各氣象要素進行權重的分析,以期找出一簡單模式,進而預估降雨發生。

UV照射對黴菌生長及幾丁聚醣含量之影響探討

本篇研究主要在探討UV照射黴菌所導致的幾丁質含量變化。本組以家庭中常見的青黴菌複合體作為材料,證實黴菌經UVB照射30秒後可促進生長及增加養分的累積,並且也能得到稍多的幾丁質及幾丁聚醣。我們從文獻分析黴菌和蝦蟹外殼的幾丁質結構,發現其結構上有所差異,再比較由實驗萃取幾丁聚醣的成本和市面上大多是經蝦蟹外殼萃取產品的售價,發現兩者價格差異不多。

「鋅」「錳」相傳─可逆電化學沉積溶解的水系鋅錳無隔膜液流電池

使用醋酸鋅及醋酸錳的金屬離子電解液建立自製的鋅錳液流電池循環系統,透過負極Zn/Zn2+及正極Mn2+/MnO2的氧化還原反應,成功實現無隔膜的可充式鋅錳液流電池。在電解液濃度實驗中,觀察到較濃的Mn2+濃度會增加MnO2的沉積,有較好的充放電效率。在不同pH值的實驗中,發現pH= 6~6.5的醋酸根電解液,有最佳的鋅錳液流電池充放電庫倫效率及能量效率,分別達80%及40%以上。使用加入更多硫酸根離子pH< 5的酸性電解液,雖有稍高的放電電流,但會提早耗盡MnO2使充放電效率降低。電極擺放方向的實驗結果,顯示平行水流有較佳的充放電效率,此外重複充放電實驗也證明醋酸鋅錳電池可保持極佳的庫倫效率,有很好的再現和穩定性,實驗結果將有助於未來鋅錳液流電池的進一步研究。

「還有轉環的餘地」─探討鋼球位於自轉圓環上之運動

在一個旋轉的圓環內,當將鋼球放入其凹槽內可發現,在某些情況下,鋼球會沿著圓環向上運動,但在某些情況下,鋼球卻只是待在原地。本實驗不僅改進了實驗架設,也透過改變各種變因發現鋼球有許多不同的運動效果,並大致分為三階段,進行更深入的討論。之後利用程式模擬並逐步加入模擬修正,從起初的理想情況,到後面考慮旋轉、阻力等等,使模擬與實驗更為相似,也證明了理論之正確性。同時也利用VPython動態模擬,與實驗進行動態比較,更加完整的了解鋼球運動的效果。

火箭向量噴嘴控制和設計之研究

在航太工程中,多數的載荷(Payload)都因成本預算問題等無法決定軌道方位與位置, 所以當火箭能夠進入量產和縮小化時,就能有效的將成本降低。我們就以等比例縮小火箭模 型探討控制制導方法做為研究專題。這個專題中,我們以模型之控制構造和控制方法作爲核 心。開發出利用陀螺儀MPU6050之資料經由Teensy 4.0和C++程式的運算輸入PID模型,並且 反應在伺服馬達MG996R上,最後裝上3d列印的可動式噴嘴上進行研究。

應用深度學習建構泥火山泥裂成分與裂縫特徵模型

本研究旨在探討高雄區,目前仍在噴出泥漿的泥火山所形成的泥裂表面特徵。藉由類神經網路找出泥裂角度、裂縫數、含水量與泥漿成分之間的關聯性,建構裂縫判斷模型,並採取各地泥漿樣本,設計裝置進行實驗,在控制泥岩厚度、溫度等變因下,模擬自然環境形成的裂縫,並分析受力產生的特徵模式。建構後的 CNN 模型準確度約為 83 %,RNN模型準確度約為 93 %。前者用途為判斷裂縫分岔點與找出其裂縫角度與數量,後者用途為透過裂縫數與角度判斷當前圖片含水量與成分。未來將繼續開發為只需將圖片輸入,即可精準判斷出該圖片的含水量與成分,提供在各領域如:地球科學、防災、建築工程等實用工具。

以腦波實驗探討音樂對於高中生學習專注度及成效之影響

研究者身為高中生,平常看到同儕在讀書時會聽音樂,我自身有時候也會有這個習慣,但常聽師長叮嚀我們,讀書不要聽音樂,因此透過此次研究來瞭解高中生聽音樂對於學習專注度之影響,並探討學習成效是否有相關性。根據蒐集了190份網路問卷發現,大部分的高中生都有讀書聽音樂的習慣,但他們知道自己的問題點,像是算數學或默背課文時,就有許多學生是不聽音樂的。此次研究另針對30位高中生來進行腦波分析實驗,根據研究結果顯示,大部分的高中生,不論在讀書時聽哪一種類型的音樂,其專注度及學習成效皆有明顯提高。其中,又以古典音樂對於學習專注度及成效最明顯。因此,高中生邊讀書邊聽音樂不是一種壞習慣,反有助於高中生提振學習專注度及成效。

印刷微電極晶片量測酵母菌濃度研究

食品快篩廣泛運用在生活當中,而受到這種機制的發想,本實驗想運用阻抗頻譜推估酵母菌的未知濃度,讓民眾了解自己平日所攝取的物質是否有過量而影響身體健康。本實驗利用網版印刷做出四種不同規格的銀膠晶片感應溶液的阻抗及導電率,用LCR掌上型電錶測量不同濃度的強電解質NaCl(食鹽水)確認晶片能有效的使用,再測量弱電解質醋酸的平衡常數,最後擴大至大分子味精及生物酵母菌,成功得到生物溶液酵母菌的阻抗頻譜和檢量線,如指叉數目為8、指叉間隔為0.1mm的指叉電極,其對酵母菌溶液的檢量線R2值為0.9958,靈敏度為3.08x10-6 ± 1x10-8,在98%信心區間下之偵測極限為0.0125 (顆/1mm2),為生物快篩檢測提供了新的可能。