全國中小學科展

高級中等學校組

以程式模擬限制空間中大腸桿菌之化學趨向性

本研究利用Python程式模擬大腸桿菌在自由空間、濃度梯度空間、濃度梯度隧道中的運動,並以所得數據分析對照大腸桿菌在現實實驗中的運動,歸納和預測其運動趨向性。經模擬我們得知,大腸桿菌在自由空間中的運動軌跡類似布朗運動,而在濃度梯度空間中的平均速率會隨著濃度梯度變大而增加,但會收斂在一定值上,濃度隧道則會對大腸桿菌產生引導的功能,使濃度梯度對大腸桿菌的影響更顯著。我們也透過模擬數據的分析與回歸,得出兩種不同環境下大腸桿菌在統計上所滿足的函數型式。

兒茶素新天地-兒茶素與熱量限制對酵母菌壽命之影響

本研究探討熱量限制與兒茶素對酵母菌的影響,熱量限制(CR)可能具有延壽效果,而兒茶素被認為是潛在熱量限制模擬物(potential CRM)。以2%、0.5%和0.05%葡萄糖作為正常醣濃度、熱量限制與極端熱量限制進行實驗。結果指出酵母菌生長情形以CR組最佳,而加入50ppm兒茶素可提高其生長速率;醱酵實驗中兒茶素對酵母菌的產氣量影響不大;熱量限制與兒茶素的共同處理能增加其複製壽命;在SIR2基因實驗中發現在極端CR與CR加入兒茶素的組別,皆能增加其基因表現,此結果顯示在熱量限制下SIR2基因可能參與兒茶素增加複製壽命的作用。由此推測兒茶素具成為CRM的潛力,也發現CR搭配CRM可能有更佳的延壽效果,希望此研究能成為探討熱量限制模擬物之模型,作為研究人類延壽的基礎。

手機攝像彩度結合光度滴定法應用於酸鹼微型模組及解離常數之測定

本研究自行組裝微型滴定裝置,建立常見指示劑(甲基紅、酚紅、酚酞及廣用試劑)之酸鹼滴定模組,運用實驗開發的像素分析法,由像素加總值與滴定體積之程式推知當量點體積,所有實驗誤差均不超過0.30 %,具有高準確度,且此實驗模組之濃度檢測極限可達10-4 M。將微型裝置應用於指示劑解離常數的測定,測得甲基紅、溴瑞香草酚藍及酚酞之pKa分別為4.95、7.11及9.40,與理論值幾乎一致;進一步以RGB值二次微分找出指示劑更精確的變色範圍,如甲基紅在[HIn]⁄[In^- ] >7.65時會完全呈現酸型顏色、[In^- ]⁄[HIn] >6.55會顯現鹼型顏色,其變色範圍為pH 4.06~5.77。本研究成功簡化傳統滴定與解離常數測定的實驗步驟與器材,達到簡潔、可監測之綠色化學願景。

植基於二維陣列演算之魔術方塊互動學習系統

魔術方塊是許多世代於學生時期皆會碰觸到的機械類益智玩具,藉由三維旋轉,改變其排列組合,然許多初學者遇到的最大瓶頸是無法復原,花費金錢與時間卻無法還原,致使解決問題的興致大幅降低。本研究,旨趣於魔術方塊的互動學習,當吾人解題失敗或遇到窒礙,就可利用人機介面輸入目前的狀態,透過二為陣列演算,使系統進行還原分解動作,而玩家藉由觀察學習,除培養觀察力和專注力,進而啟發思考解決問題的能力,來著手自行解題,使魔術方塊的學習困難度降低,維持學習動機。

巷弄T字路口來車偵測

許多人在駕駛交通工具時常會速度太快,不放慢速度便會使車禍發生機率大幅提升,在巷弄裡更是如此。許多車禍都是因未注意來車所導致,所以我們想出了在路口裝設感知器,用來感知是否即將有車輛靠近以用來提醒駕駛人,雖然在某些路口會裝設凸面鏡,但還是有駕駛人會忽略,所以我們利用感知器搭配手機APP,當車輛靠近路口且有來車接近,手機便會發出聲響與震動,來提醒駕駛,相信這會比凸面鏡更有效果。

以智慧物聯網建構暗棋對弈機器人系統

智慧物聯 (AIoT) 在生活中逐漸普遍,應用在機器人、智慧家電、語音助理…等各種用途上。本研究將以AIoT概念開發暗棋機器人,可讓任何程式開發者,透過開放的http協議要求雲端應用程式介面(API),開發各種形式的暗棋對弈程式或機器人。暗棋對弈系統基礎架構運作,是具有雲端連線的IPCAM及機器手臂的機器人,系統向IPCAM要求暗棋的盤面影像,再透過卷積神經網路 (CNN) 辨識暗棋盤面,將棋譜提供給對弈人工智慧運算下一步的棋步,提供給機器手臂做出翻棋、移動、吃子的動作。此一設計方便的大量收集棋譜資料庫,作為未來暗棋對弈深度強化學習的資料樣本,AI棋力將可提高,搭配機器手臂作下棋動作,CNN辨識盤面,以AIoT概念架構,可望讓對弈機器人大眾化,逐漸普遍於各個地方。

「鎮」「興」倦-探討鎮定劑、興奮劑對螞蟻族群的影響

高雄巨山蟻是社會型動物,有族群勢力範圍和首領。外敵入侵,蟻群會迅速啟動有紀律防禦(接觸、攻擊、護卵、殲敵),並在最短時間完全殲敵(平均18分13秒)。蟻后是防禦領導者兼主要殺手,殲敵率78%。服用鎮定劑一個月後,工蟻、蟻后領域概念低,蟻群出現防禦瓦解,殲敵率僅11%(60分鐘內),蟻后殲敵率「零」,完全失去領導力,但仍保有領導地位。服用興奮劑一個月後,工蟻、蟻后個別育幼行為雖明顯提高,但領域防禦降低,外敵最終由工蟻完全殲滅(平均52分52秒)。蟻后殲敵率降為56%,工蟻不再餵食蟻后,已喪失領導地位。停藥二個月後,興奮劑組蟻后有恢復領導地位,但兩組在60分鐘內,皆未完全殲敵,族群領域防禦仍未恢復,明顯已造成不可逆傷害。

"橋"遷之喜-水流對橋墩壓力與流速之探討

在日常生活中,橋墩遭河水猛烈沖刷,導致車輛或行人無預警的落橋事件,因此瞭解橋墩如何遭受水流破壞為當前重要課題。本研究藉由自製模擬渠道模型,探討水流碰到橋墩後的變化,並記錄不同變因下水流壓力與水流速度的關連性。經過實驗後,得到: 渠道水位越高時,則表層流速越慢,且壓力隨水位深度加深呈非線性增加。橋墩的存在會增加各量測的壓力值,尤其在橋墩前後壓力為最大,並隨橋墩與渠道邊的距離縮小,水壓會愈大而流速越慢。在橋墩形狀中發現,水流接觸的表面積越大,對壓力的變化也越大。不同橋墩形狀的流速比較△>○>◇>□> ,橋墩為四角柱時流速比較 > > > 。最後進行實際渠道測量,並與模擬分析比較,發現所有變因皆有共同的趨勢。

鋁程有快有慢-鋁空氣電池的特性探討

本研究將回收鋁罐的鋁片組裝成鋁空氣電池,改變碳層、電解液濃度、緩蝕劑種類等面向探討鋁空氣電池電流、電壓及電池效能。研究結果顯示以石墨棒粉末及塗佈量0.1g/cm2的碳層,1.0M氫氧化鉀作為電解質時有最高的電壓表現。以此作為單電池串聯3個電池可提供約3.80V電壓,並持續供電運作9.7小時以上。以三種緩蝕劑添加在8.0M氫氧化鉀電解液中,錫酸鈉與氧化鋅對於鋁金屬的減緩腐蝕效果較檸檬酸為佳,將0.1M錫酸鈉與 0.1M氧化鋅加入8.0M KOH電解液組裝3電池組,其電池效能低於以1.0M KOH為電解質效能表現,添加0.1M錫酸鈉在1.0M KOH在安全放電過程中延長電池壽命約14.3%。

點分布與鋸齒狀函數的研究

若有n項,且的滿足ax={(1/2(b2+bn), x=1 1/2(bx-1+bx+1), 1以項數與其值繪於坐標平面並根據分布情況將點連線,圖形似鋸齒狀函數。 將原本散布圖的點經適當「不等量」平移後,再利用分段拼接概念,結合「取整函數」來設計一函數,使其能讓兩條異號的領導係數線段交替出現,形成鋸齒狀函數的圖形,最後再將點「不等量」平移回原本位置,即得一函數涵括所有點。 本研究將設定在不同條件下,分別可根據n值區分四類情況:n=4k,4k+1,4k+2,4k+3,k為正整數;在不同n值,其的一般項有著巧妙的異同處。 最後再將bx推廣到多項式函數,進而找到可行方法來求得對應的一般項ax。