全國中小學科展

第57屆--民國106年

接觸一瞬間〜蠟油模擬液體碰撞實驗

水滴碰撞是一個很有趣的實驗,一般的水滴碰撞實驗,都是用快速攝影來捕捉水滴碰撞瞬間的情形。我們改以蠟油來代替實驗,因為蠟油在不同的碰撞條件下瞬間凝固,留下碰撞瞬間的圖形或動態變化,我們就有足夠的時間與證據來分析探討變因。將落下的蠟油滴落在液面或固體表面時碰撞所展開的圖形,用影像分析軟體『ImageJ』測量碰撞後蠟固體展開面積,也可以測量「水中展開蠟滴固體最大長度(直徑)」來分析液滴碰撞瞬間的動態情形。 我們設計實驗讓固定蠟油從不同高度滴在紙面、不同固體表面、水面、不同聲波頻率振動的水面,根據蠟油凝固後展開「蠟滴展開面積大小」與「蠟滴形狀」分析液滴碰撞的情形來進行研究與探討。

在PET上製備奈米銅網格,作為軟性透明導電薄膜之研究

需求快速成長的電子產品正在日新月異的進步,其中人手一機的智慧型手機的觸控面板多以銦錫氧化物玻璃來作透明導電基板。因其價格高、不耐彎折,所以未來穿戴式的觸控材料需要下世代的技術突破。本文在聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上製備銅網格,以獲得透明、可彎曲又導電的薄膜來提供觸控應用。製程包含PET表面化學改質、鈀觸媒或銅觸媒接枝、化學鍍銅、曝光與蝕刻來製作導電線路。鈀與銅觸媒的化鍍銅網格膜的導電性(導通簡易導電迴路並符合歐姆定律)與耐折彎能力(皆為500次)表現相當。透明度則以後者較佳,達88%。本文並探討PET上各製程步驟的化學反應機制,比較與討論鈀和銅觸媒對透明導電膜的製備及透光度與電性的優劣影響。

神氣「浮」現—氣浮裝置之原理探討

網路看到彰師大的氣浮球實驗,覺得很神奇有趣,便著手進行探討其中原理。經過多次失敗與改進,終於成功利用自製材料做出氣浮裝置。原理探究過程中,先後自製了風力測量裝置、氣壓測量裝置和斜面裝置來進行實驗。原本以為是產生的風力導致有氣浮作用,經實驗驗證發現,產生氣浮作用的真正原因,主要是利用渦輪扇將空氣吸入使得內部氣壓增加,然後氣體由底部逸出形成氣墊造成氣浮。此外,頂面開口口徑影響的進排氣速率、氣浮裝置高度、底部口徑、底部接觸面積等因素,都會影響氣浮作用。最後發現,雖然氣浮裝置自由滑動時有離開接觸面一微小距離,但與動態氣墊間還是有摩擦力存在,而動態氣墊會因氣墊量、密度、流速等不同,而有不同的摩擦係數。

淋淋傱傱-探討物體移動速度與受雨量的關係

又是個陰雨綿綿的日子,進入冬季後的基隆,在東北季風的侵襲,便籠罩在陰溼多雨的氣候當中。對基隆人來說,下雨和雨具在我們的生活中已經是不可或缺的物品了,但總有忘記攜帶雨具的時候,此時一定會被淋成落湯雞,有沒有方法能讓自己比較不會淋濕?據傳言「雨天時,跑步會比走路淋到更少雨」,然而事實是否真是如此呢? 從模擬下雨時物體移動速度與受雨量,觀察到(1)移動速度越快,可以減少受雨量,速度從0.15 m/s提升至2.46 m/s受雨量從2.447公克下降到0.480公克,而速度超過1.60 m/s後受雨的變化量逐漸減緩。(2)上方受雨量變化同樣會隨著速度而有變化。(3)而前方受雨量和移動速度沒有關係,受雨量依然沒有太大的變化。(4)速度超過1.6m/s時,前方受雨量會成為主要受雨面

「陽極」變魔術,「鈦」舊換新 --以陽極處理法探討TiO2奈米管最佳形成與應用

在本實驗中,我們找出最佳生長二氧化鈦奈米管的電壓與電流,經退火後產生降解效果最佳的銳鈦礦相。利用陽極處理法在不同參數下找到生成二氧化鈦奈米管最佳降解條件,結果顯示,我們降解亞甲基藍在60 min內已超過50%,甚至在90 min 可達近100%,而我們所使用的鈦切片只有30 x 30 mm2大小,這表示,如果製作更大的鈦片,或是放入數量更多的鈦片,降解的效果更佳。實驗過後更自行組裝一台能夠有效降解的儀器。我們處理過程有三大優點:(1)製作二氧化鈦奈米管只在常溫下利用電壓供電,且不需要許多試劑或是複雜的過程,符合綠色環保。(2)降解過程十分快速有效,只要在紫外線照射下,即可以降解。(3)屬於固態表面催化,操作簡單易回收且重覆使用性高。

虎克Run and Fly-八星虎甲蟲成蟲的移動方式探究

2016暑假發現八星虎甲蟲,即展開觀察,探究牠們捕食、避敵的移動速度與策略。 研究發現,虎甲蟲的頭、胸、腹比為1:4:3,翅膀與三對足皆由胸部長出,是行控中心。捕食螞蟻,會壓低身體,慢慢接近,移動速度為每秒4.22公分,比螞蟻每秒0.9公分快4.7倍。捕食螞蟻時,觸鬚能偵測到10公分外的螞蟻,複眼則鎖定3公分獵物,兩者需合作,才能成功捕食獵物。與紅腳細腰蜂打鬥採正面衝撞策略,並以每秒36.5公分的速度,逃離打鬥現場。遇到人類時,會以每秒1.3公尺的速度,快速飛離現場。 步行採「三角步態」。前進時,前足用鉤爪固定地表將身體拉前;中足支撐;後足推動身體。使得八星虎甲蟲移動時,能將身體保持在三角形重心內。

石墨烯微生物燃料電池綠能研究

本研究利用石墨烯高導電、高表面積等特性製成碳布電極,並研發出具高電子轉換效率的EDTA˙Fe3+作為觸媒,成功開發出新型微生物燃料電池。將自製的石墨烯以Polypyrrole固定修飾在碳布表面,取五片此修飾碳布作為陽極電極,陰極則為兩片未經修飾之碳布。利用食品級酵母菌在陽極槽對葡萄糖行厭氧氧化反應,產生的電子經外部導線抵達陰極,利用陰極槽EDTA˙Fe3+與EDTA˙Fe2+間快速轉換,提升電流值。 實驗結果顯示單顆電池電壓即可高達0.7 V,電流則達323μA,電池續航力高達兩小時,較傳統的微生物燃料電池電壓0.35~0.5V高出許多,且具有低汙染及低成本等特性,另外我們研發出的無毒陰極修飾劑EDTA˙Fe3+更符合綠色能源的概念,可望未來能將本實驗微生物燃料電池應用於農牧業的燈具。

多邊形自守點曲線上的翻滾

本文先證明任意n邊形從平面上一定點對各邊連續外翻n次後,所得最後n邊形和原n邊形必相似,但不一定有相似中心。假設那個定點又恰好是兩者的相似中心,本文稱此點為一個自守點。若外翻n次後要保持成為相似中心,則同側分角和需為(n-2)×90°。在一般△中,文中用尺規作圖找出22個自守點,透過這22點可大約勾勒出此△的自守點軌跡。緊接著利用相似中心的特性求出軌跡方程式,並畫出軌跡。n邊形的自守點曲線有n條,對稱軸必為其中一條。 在正n邊多邊形上,本文利用對應邊長比值函數式畫出邊長比值曲線,並求出最大比值倍數,文中發現n≥4的正多邊形都在中心點產生最大比值,但△例外,它是在外部且比值最大為3倍。

川流式水車的製作與場址設計

本研究設計一具可變動扇葉角度的水車,目的在探討水車扇葉的角度以及水圳場址與水車運轉速度的關係,我們以校園旁的水圳來測試水車,水圳水流速度約40 cm/s,流量約242 L/s,水車半徑60 cm,重量87.4 kg,扇葉寬度30 cm,深度25 cm,負載為200 W的發電機。研究結果:一、以水圳的自然流速很難轉動水車,需用鐵板擋住水車兩側,使水流集中在中間的扇葉,才能轉動水車。二、擋水鐵板與圳岸的角度呈45度時,可有效防止水草卡住水車。三、扇葉的角度呈45度時水車運轉速度最高。四、擋水鐵板改以全罩式擋住水流,水流速度和水位差增加,發電機轉速可達600 rpm,產生13.7伏特電壓。本研究顯示扇葉的角度45度以及水圳裝擋水鐵板,可提高水車運轉速度,使發電機發電。

蟹謝光臨~後壁湖寄居蟹換殼計畫

陸棲寄居蟹 (Coenobita)為台灣海岸常見的蟹類,恆春半島後壁湖地區雖已列入保護區,但周邊開發甚早,人類大量捕食貝類、螺類,寄居蟹因此無法從大自然獲取螺殼,造成中、大型寄居蟹70%以上背負的是脆弱、保護力差的蝸牛殼。飼養過程觀察到寄居蟹嗅覺遠勝於視覺、有弱肉強食、霸凌搶殼等生物野性,同時還發現選殼的重點除了大小之外,螺殼尾部角度是主要選擇依據,為此我們解剖螺殼做3D列印人工殼觀察。我們號召本地海產店響應換殼計畫,從螺殼的收集、清潔、標記到募集三千顆的海螺殼,提供後壁湖地區寄居蟹換殼,希望藉此喚起大眾對物種保護的意識。