全國中小學科展

第58屆--民國107年

隨波「阻」流─液體中物體運動研究

本實驗研究物體在液體中運動與阻力的關係,物體在液體中運動所受阻力與多項變因有關,本研究探討鋼珠直徑大小、鋼柱直徑大小、落入液體種類、破水時鋼珠轉速與阻力係數的關係。實驗設計將物體離液面固定高度時使其掉入液中以高速攝影機錄下鋼珠軌跡,再以tracker分析時間與鋼珠落下距離數據,探討物體在液體中的阻力係數。 在實驗分析過程中我們嘗試建立一個數學模型,將理論值與實驗數據做比較。最後得知鋼珠之阻力係數與鋼珠直徑平方成正比,圓柱體之阻力係數與圓柱體底面直徑平方成正比;不同體積百分濃度的洗衣精,其阻力係數相關呈w形;物體旋轉轉軸與落下方向垂直,轉速愈大阻力愈小;旋轉轉軸與落下方向平行,轉速愈大阻力愈小。

尋找消失的鑲接正n邊形

本文探討如何尋找n條平行線上所鑲接的正n邊形,並推廣至交於一點的n條射線、n條直線上的鑲接正n邊形,因為鑲接的正n邊形的頂點並非依序出現在直線上,所以我們也探討這些頂點與直線的順序關係,來定出鑲接的正n邊形的位置,並且討論所有可能的鑲接的正n邊形的解情況。再推廣至p邊形鑲接的正四邊形的情況,並應用我們這些技巧來解決部分Inscribed square problem。

鉛錘擺連

自然課時,利用單擺的規律性與等時性,觀察其擺動情形,了解週期與頻率。我們在單擺的下方,放置磁鐵,觀察擺動情形是否會改變。 我們發現鉛錘擺動呈現螺旋狀,因擺角不同而產生不同的軌跡;我們進行錄影及量測後,雖然擺角不同時,量測的週期均接近2秒,符合週期公式T=2π×√L/g 。利用Tracker軟體進行質點的量測,發現速度、加速度及動能會產生規律變化;再者,運動軌跡均不會通過磁鐵中心,每次週期之路徑會構成平滑曲線。將磁鐵等距放置於單擺四周,當距離越近時,擺角越大,路徑的偏轉越明顯,且與一個磁鐵,擺角7度與10度時,所形成之圖形類似。 由此可知,磁鐵會影響單擺的運動軌跡,但不會影響其單擺週期。

n進位制反向倍數知多少?!

本文透過代數方法先討論驗證10進位制反向倍數的性質,進而用其探討方式推廣找出3進位制、4進位制、5進位制等的反向倍數,從中歸納、假設、驗證n進位制反向倍數的性質,如n進位制二位數、三位數、四位數一般式、數種反向倍數的基本型與組合型型態、n進位制四位數反向倍數之判別法等。並推導驗證n進位制中,a倍的反向倍數四位數10C a的(n,a)遞迴關係式及與其進位值數列的函數關係。且利用本文推論定理撰寫找出n進位制m位數反向倍數演算法與程式,及找出二位數與四位數的n進位制反向倍數基本型的原型,更是此次研究結果的一大特色。

「蚓」出生機-探討蚯蚓習性與其植物生長的關係

蚯蚓自然農法是以「環境和生物共生共榮」的方式來種植作物,本組希望創造一種能在都市狹窄空間,利用生廚餘和蚯蚓改良土壤性質、不用化學肥料的自然栽種農法。實驗發現在光度為476±10lux 的白光環境下,蚯蚓的負趨光行為最明顯;在電磁波為38mG的環境下,蚯蚓鑽入土壤中的速度比沒有電磁波的組別快。在飼養蚯蚓方面,除了分析不同材質養殖箱的優缺點,也發現有46.67%的蚯蚓會鑽入混有百合花瓣的家用土中,比例較培養土、蔬果還高。另外,在蚓糞與植物生長情形的實驗中,全蚓糞土所栽種的空心菜,不僅全株乾重最大,且長度超過5公分的葉子平均有54片,蚓糞土比例越低葉片數越少。實驗最後,本組推薦自製蚯蚓塔作為栽種媒介。

以自組儀器探討單寧酸與鐵及鉛離子之作用並開發為檢測方法之研究

為檢驗地下水的微量金屬,本研究修飾組裝可同時測定透光度及散射光的LED光電儀,微觀金屬與單寧酸作用,找出單寧酸適用濃度及金屬可偵測濃度範圍。研究中先以手機光譜儀測出單寧酸與金屬錯合的特性光譜,再以LED光電測定儀測定訊號觀察,推測其作用關係,試驗出適合檢測濃度條件。研究結果顯示,單寧酸對鐵及亞鐵離子皆會產生黑色錯合物,與其他金屬則產生沉澱。在低於濃度10-3M下只有鉛離子與單寧酸會產生沉澱。利用儀器的高靈敏度測量鐵離子與鉛離子對單寧酸產生的錯合物,經透射電壓值分析後,可成功量到10-6M鐵離子,而鉛離子則為10-5M。有別於一般的金屬檢驗方法,以單寧酸檢測法為創新且具穩定效果,成本低無污染,可用以測量出鐵或鉛的含量。

開不開,有學問-皮鞋開瓶塞研究

一則網路影片用皮鞋開酒瓶塞,引起我們的好奇,背後的原理和影響因素是什麼?經討論及資料蒐集,設計實驗並自製撞擊器來控制撞擊力,希望找出原理和影響的因素。發現:撞擊力須透過液體傳遞,且液體量要足夠;撞擊頻率高有較佳的瓶塞移動效率;撞擊力傳遞至瓶塞須大於瓶塞及瓶口間的阻力才能使瓶塞移動;瓶身角度須水平置放;墊子的緩衝性太好會吸收撞擊力,可能無法克服瓶塞的摩擦力;不同材質及不同表面性質的瓶塞會影響瓶塞移動的成功率;容易產生氣泡的液體,瓶塞移動成功率較好,黏滯性高的液體則較差。瓶塞移動的主要因素是靠撞擊力的傳遞來推動瓶塞,可以用流體力學的白努利定律來分析,而空蝕現象的發生則有助於瓶塞的移動。

氣動式軟型人工肌肉機器手~自製復健輔具

「氣動式軟型人工肌肉機器手自製復健輔具」以氣體當作動力,且以矽橡膠作為承受載具,結合纖維增強結構設計,當矽橡膠載具空腔充氣後,造成特定應用要求方向的彎曲,模擬帶動手部肌肉重複運動狀態,達到手部的復健效果。 我們開發了柔性氣動制動器的簡單製造方法及便利的測量系統,如柔性氣動制動器加氣壓時產生力曲率半徑,扭曲,延伸軌跡和制動期間的輸出表徴。為了操作模擬柔軟的機器手套,設計人工操作氣壓控制系統,包括氣壓分流閥和閉環調控閥以調節壓力,而設計了柔軟機器手復健手套的系統雛型。 根據熱能鬆筯的生活觀察,結合遠紅外線加熱纖維布及自製多型柔性氣動彎曲制動器,製作了第一款方便可攜式柔軟並加熱的軟性機器手復健手套系統。

Knight one one

本研究根據「騎士巡邏」的數學問題做出延伸,主要探討在連方塊 (polyomino) 棋盤上 擺放黑白各兩顆棋子,以西洋棋中的騎士走法,進行位置互換,並透過圖論工具,分析移動騎士的一般策略。在後續研究裡,進一步推廣原先探討的問題,例如考慮其他形狀的自由連方塊,並嘗試歸納出由連方塊所引出路徑圖的連通性。最後我們將原來問題化縮為圖同構問題 (graph isomorphism problem)。

核電?NO!河電?YES!

本實驗是找尋適當的材料製作「鈉複合式電極」來利用河川在出海時所造成濃度差的區域來發電。實驗討論的變因有不同的黏著劑不同碳布孔徑不同有機溶劑分別對電極放電度的影響,各個複合式電極完成後先在實驗室進行模擬複合式電極放電的過程,並且利用EXCEL對各項實驗數據逐一討論。接著自行設計出一個適合此電極的裝置。為了確認裝置的可行性還到附近的三條大河(濁水溪、大甲溪、曾文溪)實地取水進行實驗,並討論了此電極的「回收效率」與放電能力以及河流本身的特性對自製電極所造成的影響。經過多次實驗,得知赤血鹽與硝酸銅所製作的鈉複合式電極所產生的電功率以及回收率是最好的,電功率為0.967113瓦特,回收率達到83%。