全國中小學科展

第58屆--民國107年

同聲相應『辨材』無礙

本研究係使⽤快速傅⽴葉轉換對⾦屬圓板撞擊產⽣的⾳頻進⾏分析,並搭配⾃製的運算叢集,來實現使材料辨識系統。本研究為分析⾦屬圓版與其相關之物理量對⾳頻的影響,吾⼈透過 Journal of Sounds and Vibrations 中的⼀篇 “The Influence Of Poisson’s Ratio On The Natural Frequencies Of Free Circular Plates”之公式,配合⼤量實驗做為數據轉換的基礎,找出⾦屬的Ψ值,如鋁為0.15762、鐵為0.28921、銅為0.36213,最後將之整合,並提出以機器學習的⽅式優化材料辨識系統,⼤⼤提⾼本研究之未來發展性。

什麼?雷射筆差很大!

本研究針對LED與雷射筆進行探究,並歸納出一些特別的性質,探討通電的特性與類太陽能板的性質。我們意外發現市售綠光雷射筆,發出的光線經光譜儀可以確定除了綠光波長,還有紅外光,綠光雷射筆是由共振腔與增益介質共同組成,對照紅光與藍光雷射筆,發現紅藍光雷射筆就是LED光源,我們以紅藍綠三色的LED燈源以光柵實驗,配合I-V曲線的量測到的閾值電壓,再用本科展所發現的方法可以有系統的細部區別紅光與藍光雷射筆的材料特性。 此外,我們自行製作了LED陣列當作實驗儀器,來測量LED照光的通電I-V曲線。實驗結果所量到的短路電流Isc遠小於一般市售的太陽能電池,是因為LED為了提升發光效率,在PN結的位置有許多的量子井,以利電子和電洞結合放出光子。

「震」知道了—臺灣南部板塊隱沒帶附近地震群研究

本報告分析位於台灣西南部東經120.5度、北緯21.7度地震群。數據顯示在1994~2017年6月間,共出現10次規模大於5.0的大地震,震源深度均為40公里左右,歸納地震發生時間發現約2到5年發生一次大地震,推測此區域可能有持續發生此地震型態的情況。我們利用一些模擬實驗和假設模型,提出此近隱沒帶但呈張裂型態的區域,地震發生的時間空間變動的規則,可能和板塊隱沒時應力施於交界處附近,使應力易累積於弱下部地殼與強上部地殼交界處有關。

從一個投射出的拋物線圖形談起

從直角△斜邊上的各等分點,對直角頂依序做1倍、2倍…等的長度投射,得一連串投射點,觀察投射點形成的軌跡,文中發現若投射倍率成等差時,投射出的各點軌跡必成拋物線,且發現投射倍率組合做縮放平移時,能保持投射圖形為拋物線。接著將相等的四段改成不一定相等的四段(N=4),使投射組合的長度L≥4,從L=4到L=16做個全面性的觀察,得到的不只拋物線,還有很多不同圖形如雙曲線、橢圓、平行線、交叉直線和一點一線等,但沒發現圓,作者利用代數計算投射和幾何作圖投射畫出圓形。並利用找圓的概念,將N>4時的分段組合和投射倍率組合在指定的△中呈現出來。最後藉著改變投射倍率組合成級數狀,竟能將本文中涉及的所有投射圖形(N≥4)都轉成拋物線。

誰「砂」了藻礁?—埋砂對藻礁生態的影響

桃園沿海藻礁生態地位重要,具有豐富生態、防波與研究地球氣候變遷價值,而可能造成藻礁死亡的有以下三點:工業廢水汙染、海岸建設破壞與周邊建設帶來的淤砂掩埋。 本研究旨在探討埋砂對於藻礁生態的影響,以人工海水混原生地海水架成的海水缸進行淤砂模擬實驗,分別埋0.1cm三天及五天、0.5cm四天、3cm三至五天、6cm四天,用Diving-PAM測埋砂前後的光合作用效率變化。在埋砂3cm五天的實驗組中,發現殼狀珊瑚藻由紫轉橘,Fv/Fm值下降至0.046。持續追蹤觀察後,由橘轉白並喪失光合作用的能力。 由結果推測,殼狀珊瑚藻光合作用效率約在低於0.300時會有橘色色塊,若降至0.045則會逐漸轉白且無法復原。未來可望加入更多變因,並期待藉由本研究能喚起大眾對於藻礁生態的重視。

建立可溶性澱粉定量法應用於辨別蜂蜜優劣

過去教材檢驗澱粉,皆討論其與碘液結合所生成藍色錯合物為主,然混合溶液中過量的碘液將會干擾藍色的呈現,不論在目視或是使用分光計都難以比較實際澱粉含量多寡,研究中,發現藉由控制碘液的濃度能迫使藍色錯合物以固體方式自碘液中析出,即推論澱粉與碘液的系統中存在溶解平衡Ksp(I2-starch(s) = [I2(aq)]m[I2-starch(aq)]n關係。將各種澱粉來源所得之藍色錯合物均以此法純化後,經過歸納法找到λmax=610nm,搭配本研究建立之澱粉檢量線A=23.669x-0.0413,對30種市售餅乾的澱粉作定量,發現乖乖的澱粉含量高達40%;將純化後藍色固體溶於水可得自製澱粉酶檢測液,賣點在於能更準確將澱粉水解曲線數據化;使用標準品α-amylase繪製水解網格以對應蜂蜜的澱粉水解曲線,就能大致判定蜂蜜所含澱粉酶濃度

「球」好撞撞—球體撞擊平面移動及滾動之探討

我們發現了球撞到平面後有回彈的現象,我們設計了幾個實驗來了解並探討這個現象。本實驗主要探討當球體水平撞擊各個垂直平面之後所損耗的能量、球後續的運動狀態以及兩者之間的關係。我們觀察到:碰撞損耗量與碰撞面材質有關,而碰撞動能損耗率且後續運動狀態與入射速度、球與地面的摩擦係數......有關,而實驗可看出,當球體撞擊摩擦力越小,且碰撞損耗能量越大的平面,越容易造成球的回彈現象。

平行玻璃板間的愛情故事──探討兩夾水的平行玻璃板拉開之力

兩玻璃板間夾水時,兩玻璃板會不易拉開。我們以圓形玻璃板為實驗工具,於中間夾水,以力感應器測量拉開兩片玻璃板所需之力。此實驗模型是架構在「液橋」理論上,根據此理論,分開兩玻璃板的力和玻璃板及所夾液體的壓力差成正比,即可由Young-Laplace equation推得:△p=2 γ/δ。 實驗結果如下:當玻璃板面積大小固定,水量愈少,兩片玻璃板拉開所需的力就愈大。當水量相同時,圓形玻璃板面積愈大,兩片玻璃板分開所需的力就愈大。玻璃板大小相同,且所夾液體體積相同時,玻璃板間的液體表面張力係數愈大,兩片玻璃板分開所需的力就愈大。當板面積和板間所夾的水量相同時,分開兩玻璃板所需的力會大於分開兩壓克力板所需的力。

動畫世界中的物理

一般在繪製2D逐格動畫時,在真實與誇張之間要拿捏一個好的平衡點相當不容易,尤其是當您不熟悉物理力學原理時,在運動軌跡的決定上就會毫無依據。此研究藉由對於物理力學原理的探索,思考哪些理論是動畫世界中仍然必須依循的,整理與推導出幾項實用的公式,並將公式寫入Excel表格,利用圖表的方式顯示出符合物理原理的運動軌跡,提供做為作動畫時參考的準則。我們完成的Excel表單,可以稱為是初級版的2D的動畫物理引擎工具。實驗利用兩組動畫的比較,一組是在自習物理力學原理前繪製的,當時完全憑經驗與想像;另一組則是靠我們製作的工具輔助才繪製完成的。可以看出後者的動畫作品不但不失原本的生動感,且動作更流暢並令人信服。

雲端監看環保垃圾桶

垃圾桶在日常生活中廣泛應用,種類也越來越多,垃圾桶最常運用的方式,是透過紅外線感應來打開或關閉垃圾桶蓋,以防止垃圾桶發出腐臭味。本裝置可以自動壓縮垃圾,以達到節省專用垃圾袋的使用量,並利用溫度感測器、煙霧感測器、瓦斯感測器及超音波模組,以達到環保垃圾桶最佳化。本裝置採用ATMEL電子公司,所產生之單晶片微控制器(ATMEL AT89S52)作為中央處理模組及Arduino作為控制模組,並利用Wi-Fi通訊模組(ESP8266),並將資料傳送雲端(thingspeak.com),可使用智慧型手機連接雲端資料庫,以達到資料分析與管理控制,以達到環保的目的。