全國中小學科展

探究精神獎

醉後生還者──醉漢走路問題的二維延伸探討

本文主要是在探討二維醉漢走路問題的各種情形。 參考一維醉漢走路的原始問題「一醉漢從距離懸崖一步的位置出發,另一端則是無窮延伸的道路,醉漢在道路上每步以一固定機率不停的前後隨機移動,直到落下懸崖則停止移動,試求醉漢落下懸崖機率為何?」我們將其拓展至二維平面上,利用一路領先問題的概念以及無窮級數的生成函數,探討二維一邊懸崖、兩邊懸崖以及三邊懸崖的情況下,不同移動機率組合,醉漢落下懸崖的機率,並發現Catalan Series是研究二維醉漢走路問題很有力的工具。

3D列印排笛

一般國小的自然課堂上都是使用市售的吸管製作排笛的笛管,但如果封口的填充物不對,要吹出有音階的聲音很難,實驗可操控的因素也有侷限性。本專題的構想是利用3D列印機來製作排笛的笛管,找出管長、管壁厚度、管徑、管形對聲音輸出的影響,並和傳統的國小自然課常使用的市售吸管製作的排笛做比較,再依據實驗的結果利用Scratch寫出一支程式,只要輸入想要製作的音頻,就能計算出3D列印笛管需要的長度及可行的管壁厚度、管徑和管形,最後再利用3D列印出一支有音階規律的排笛,透過它能演奏一首簡單的歌曲。

大珠小珠落玉盤-探討月球隕石坑之成因

可利用Tracker軟體成功量化斜拋鋼珠之X軸及Y軸的分量速度。斜拋撞擊接觸面實驗:小粒徑材質,鋼珠越重則寬深比值越大且形似橢圓;中粒徑材質,鋼珠越大坑洞寬深比愈小,大粒徑材質,在120°角度時鋼珠越大則坑洞寬深比愈小。接觸面為小粒徑砂石加上麵粉其比例為2:1形成混合層鋼珠為16mm時,其拋體運動所形成的坑洞寬深比與隕石坑相似。自由落體實驗結果皆為鋼珠粒徑愈大其寬深比值越大,接觸面為小粒徑材質時寬深比大小差異不大,且相較於斜拋之寬深比小許多,較近似月球隕石坑之實際寬深比值;接觸面積為小粒徑加上麵粉則呈現出測量坑洞的深度趨於一致,且寬度則與重量大小正相關。

挑剔環

將兩組{ 1,2,…,n }任意排成環狀,若對所有數m ∈ { 1,2,…,n },m與m之間繞順時針的間隔數為m或繞逆時針的間隔數為m成立,則稱此環狀排列為「挑剔環」。

就是那個光_自製光波捕蚊機

最近登革熱全台大流行。班上蚊子很多,同學帶光觸媒捕蚊燈來學校,效果很好,放置一晚上,就可以捕獲很多蚊子。於是各種捕蚊工具如雨後春筍般的崛起,其中光觸媒捕蚊燈是利用特殊波長的紫外光來吸引蚊子,當蚊子靠近時,就用風扇將蚊子吸入。經本組深入研究後,製作出成本低廉、捕蚊效果極佳的UV光捕蚊機。整組成本約100元,裝置設計簡易,可快速取出誘捕的蚊蟲,有利於後續相關研究的進行。 為提升捕蚊效果,特別針對不同色光波長、裝置外觀顏色、氣味、溫濕度等因素設計實驗進行探討。實驗結果顯示,蚊子喜歡波長375-380nm的UV光、黑暗、紅色可見光與黑色外觀的裝置。且本組自製的光波捕蚊裝置,能有效減少病媒蚊的數量,對於登革熱的防治有顯著的功效。

基於深度學習之服裝試衣系統

本研究以AI虛擬試衣系統(Virtual Try-on模型)為主題,透過深度學習技術,並結合幾何匹配模型,最後開發出試衣系統,將使用者上傳的照片,模擬成穿著新衣的模樣。 首先,將人物原始圖片取出骨架節點,並生成人體遮罩以及保留人物頭部。而後將三個輸出合成為高維特徵圖。接著將目標替換衣物生成出依照人體姿態扭曲後的衣物圖片。最後於Virtual Try-on模型中,將人體高維特徵圖與扭曲衣物共同輸入,並經過運算後合成出穿著目標衣物之人體圖像。本研究結果發現,人物站姿單純,且雙手緊貼身側,以及拍攝角度為正面、衣服款式為短袖、背景色彩對比度較高與衣服圖案單純的原始圖片得出的結果圖片與測試圖片相似度較高。

運「鐵」成「峰」──鐵磁流體的製備條件研究與磁場下的流變效應

本研究嘗試製作商用規格,並具備相同流變現象的鐵磁流體。我們收集大量鐵磁流體製作的文獻,但普遍未提到具有良好流變性質成品的關鍵因素。為此我們設計了一套標準製作流程及器材,找出成分比例(鐵源、界面活性劑、載液)和合成步驟(攪拌、酸化、洗滌、乾燥)及反應環境(溫度、空氣)對鐵磁流體的影響。使用ImageJ計算尖峰數。利用SEM、EDS與XRD分析,成功製得粒徑<15 nm之奈米粒子。 製程中是否接觸空氣對奈米粒子的磁性產生極大的影響,未通氦氣保護時酸化pH=2.5-3;而通氦氣保護時酸化pH=4時,具有最佳的磁性。然而酸化至pH=6時化學性質最為穩定。混合水與磁流體時觀察液面產生的特殊現象,尚未被文獻提出。我們稱之為一種新形態的「不穩定現象」。

噓寒問暖,發熱衣解密

透過紡織品形成空氣層,達到減緩人體熱能散失是禦寒保暖的策略之一。市售發熱衣為本校學童內搭衣主流,以聚酯纖維、聚丙烯腈、嫘縈及彈性纖維為主材質。其中以聚酯纖維為主要材質的發熱衣較容易達到比純棉內衣更好的保暖效果。在流汗及微風(蒲福風級表)的情境中,發熱衣蓄熱保暖的效果均劣於純棉內衣。而市售發熱衣所標榜發熱技術,其效果甚微。穿著發熱衣時仍需配合當日天氣與活動搭配防風或排汗衣物,才能達到保暖蓄熱的最佳效果。

不酚青紅皂白

自配1%酚酞酒精溶液,在進行微型酸鹼顏色判斷時,會因為酸鹼溶液與指示劑之間比例問題,造成酚酞溶解度下降而出現白色混濁,造成顏色誤判;(1%酚酞酒精溶液/酸性水溶液)比值在pH=1、2之HCl水溶液產生白色的範圍依次為1.1~10.3、1.3~10.0;pH=1、2之H2SO4水溶液產生白色的範圍依次為1.4~15.0、1.8~10.0。0.1%、0.5%、1%酚酞在pH=14之NaOH水溶液,均可觀察到粉紅色褪色為無色;pH=15則因出現白色混濁,無法清楚判斷變色;0.5%酚酞在pH=-1的HCl、H2SO4可觀察淡淡橙色。0.07~0.6M的NaOH在0.01M酚酞中的褪色動力學,褪色反應隨著NaOH濃度增加而變快,可以得到反應速率常數k=0.032M-1s-1。而在NaOH溶液中加入酒精,酒精含量越高的情形下,會使得褪色的反應速率變慢;若改加入丙酮,反應速率差異不大。

凹凸有柱~一觸即發

試管鉛直向下碰撞時,可產生高直液柱,我們稱為「一觸即發」現象。研究發現:試管下落期間,管內液體所受的等效重力發生改變,放大毛細作用,使接觸角變小形成半月形對稱空腔,碰撞時液面迅速回彈形成液柱。其中,接觸角與液體種類、管壁狀態、試管加速度有關;液柱的產生則與接觸角、液體黏度、碰撞狀態有關。汞的一觸即發現象尤其特別,可透過二次碰撞激發液柱。若以連續振動將一觸即發過程重覆延伸,發現振源和介質振動頻率並不同步,當振動機驅動頻率約為液面振動頻率的兩倍時,可持續產生共振液柱且可對應到克拉尼振動模態。當模態(m, n)為(0, n)且n∈N,為產生中央液柱必要條件,若此時迅速放大振幅亦可誘發「一觸即發」。