全國中小學科展

探究精神獎

水俁退散-自製有害無機汞快篩器應用於放流水之檢測

本研究先合成出奈米金溶液,改變不同碳數(3,11,12)的硫醇與奈米金結合,再利用羧酸根抓取水中的無機汞。觀察其溶液顏色的改變,自製Arduino快篩器,預警偵測放流水中汞離子濃度。 本研究發現奈米金溶液接上3-硫醇丙酸(MPA),配製標準汞離子溶液0、2、4、6、8 ppm,並加入對Hg2+有較強作用力的2 6-吡啶二甲酸(PDCA)試劑,用以提升快篩器的靈敏度。將分光光度計測量吸收度與濃度檢量線關係(R^2=0.99),與自製快篩器(R2=0.96±0.01)比較,具有一定的可信度,並實際應用於放流水的快速檢驗。本研究的汞離子檢測方式,具有特殊選擇性,結合IoT的快篩器,可迅速得知自然水體中Hg2+濃度,大幅降低傳統檢測的成本。

燈下藍~自製燈箱的藍曬研究

本研究在利用實驗法了解影響藍曬圖效果的因素。為使光源穩定且可操縱光源強度,故自製藍曬燈箱進行實驗;為客觀表述藍曬圖的品質,以色差儀測量,發現ΔE 值與藍曬圖品質有很好的相關性。 我們用 6 瓶裝紅酒木箱、7 組 T5 UVA 黑燈管、壓克力板隔開燈管與曬布、黑色 橡膠墊阻隔箱子內外光線進出。得到自製燈箱曝曬 15分鐘效果良好,並以此進行實驗。發現布料質量密度大、經緯密度大、單股平紋織法、厚度小有利於藍曬圖品質,而與吸水性、彈性等較無關;感光液在第二天、燈管亮數多時,藍曬圖效果較佳;定色劑以食醋效果最好;並發現藍曬圖不適合印在要常清洗的衣物。研究過程中意外發現感光液在第 30小時左右吸光度最大,表示溶液中檸檬酸根的濃度達到最高。

「木氣」沖天-木氣爐構造對木質顆粒燃燒之研究

透過多次觀察焚火台的經驗,並發現這幾年大家開始採用比較環保的木質顆粒當作燃料, 在這次不斷的研究中,逐步發現自製木氣爐搭配木質顆粒燃燒的效果差異。我的研究共有七個研究目的,分別為木氣爐原理與材料調查、自製木氣爐、探討自製木氣爐外罐口徑大小對木質顆粒燃燒的影響、探討自製木氣爐內罐底層孔洞大小的對木質顆粒燃燒的影響、探討自製木氣爐內罐上層孔洞大小對木質顆粒燃燒的影響、探討自製木氣爐內罐上層孔洞排列形狀對木質顆粒燃燒的影響、經參數優化的自製木氣爐及改良裝置的比較。隨著一次又一次的實驗,漸漸發現一些問題,在實驗中試著改良我的木氣爐,最後藉由數據分析,做出一個最適合搭配木質顆粒燃料的野炊木氣爐。

天然的風扇-黑白條紋的空氣對流

全球暖化越來越嚴重,想知道黑白條紋是否有助於空氣的對流或升降溫,可以減少能源消耗和耗電的降溫設備等。此研究在木板上塗黑白條紋的油漆,利用粗細、顏色,測試木板的升、降溫速度。並利用紋影法觀察氣流的變化。 研究發現,任何顏色的木板都有氣體的流動和對流。其中,有黑白條紋的對流較其它明顯。也發現,黑色區塊越大對流就越強烈,如果在黑色的區塊加入適當的白條紋,對流效果比純黑色強。 最後發現,粗黑細白氣體的對流效果最大,升降溫最快,可用在一些需要快速升降溫的物品。例如:太陽能板、杯子。細黑細白條紋升降溫最慢,可用在一些需要保溫或維持溫度的產品,例如保溫箱、孵蛋箱等設備,這樣不僅可以節省電費,讓生活變得更舒適。

基於神經網路分析封城對民眾攻擊性情緒之影響:以美國為例

疫情期間各地家暴、離婚負面社會現象顯著增加,而攻擊性情緒可能是造成此現象的重要原因之一。如何快速掌握人們情緒變動,提供有效配套措施,為當務之急。本研究利用人工智慧神經網路模型,訓練其分辨攻擊性情緒,快速分析大量社群媒體資料。以此模型分析全美各地在不同時間發出的推文,即時判斷疫情下各地攻擊性情緒的變化,發現疫情開始後,整體攻擊性情緒急劇增加,且封城下的民眾相較未封城者呈更高的攻擊性情緒。再來,本研究以固定效應模型的統計大數據分析,證實封城與攻擊性增加之因果關係,為理解疫情中人們攻擊性情緒變化的成因作出重要貢獻。提供心理學或精神醫學大範圍、快速、低成本的研究方法,以快速掌握人們情緒模式,研擬對策。

簡易製備石墨烯量子點與應用於細胞成像之探討

我們選擇使用氧化石墨烯作為本次實驗的材料,利用強氧化劑和硫脲切割氧化石墨烯 (GO),得到石墨烯量子點 (GQDs),根據量子的尺寸效應,合成出的量子點越小,放光越藍移;量子點越大,放光越紅移。由於我們想將石墨烯量子點發光的特性應用在細胞成像,因次我們透過改變各種變因,得到放光 700 nm 的石墨烯量子點。由於紅外光可穿透較深層的皮膚,產生膠原蛋白,對於醫療上的應用有極大潛力,我們將合成出的石墨烯量子點加入海拉細胞中,使細胞產生胞吞作用,並且比較四個不同樣品,GQDs 20 min、GQDs 1 hr 30 min、GQDs 20 min + biotin、GQDs 1 hr 30 min + biotin,透過儀器鑑定得知細胞對 GQDs 1 hr 30 min + biotin 的接受度較高,再將獲得的結合石墨烯量子點的細胞應用在細胞顯影上。

層狀高積雲與天氣變化之探討

我們這次研究,首先嘗試從斜溫圖分析穩定層與濕度對層狀高積雲(ACS)有何影響:(1).我們發現穩定層底部的高度愈一致,ACS的層狀結構就愈能維持住;(2).濕度決定ACS的雲量;(3).穩定層是經常性的、大範圍的分布。其次,我們也由雲系變化來探討ACS的形成方式:(1).若當天一早就出現ACS,大多是受到外來系統的影響─①鋒面的接近、②冷高壓系統的移動、③颱風的外圍環流、④華南雲雨區的東移或南方雲系的北移,而不同系統所形成的ACS雲況通常也具有某種規則性;(2).在雲系轉換方面,我們發現高層雲、積雲、卷雲和卷積雲都可以轉換成高積雲;(3).甚至在晴空之下,也可能突然就誕生出ACS。

西里銀腹蛛結網角度變異之功能性探討

為了瞭解銀腹蜘蛛屬蜘蛛結網角度為何常與地面成一角度且角度變異極大,我們以此屬的常見種類西里銀腹蛛為對象,針對野外族群測量結網角度、結網面積、蜘蛛體長、結網高度及結網方位,結果顯示結網角度可從9度到70度,以46 – 50度最常見,而且結網角度與結網面積、蜘蛛體長、結網高度及結網方位均無明顯相關性。 我們從結網角度與受風面及捕蟲率的關係來思考,結果發現,在結網角度與地面垂直時之捕蟲率比起水平時明顯來的高,但結網角度越大即越垂直於地面,受風面越大,故必須織出較強的絲,需花費較多能量;所以西里銀腹蛛可能需在花費較多能量編織強度較強的蜘蛛絲與捕蟲率上取得平衡,因此結網角度才會有如此大的差異。

擺盪在秩序與混沌的邊緣--流體阻尼球對建築物耐震度的探討

實驗結果發現膨性流體阻尼球對建築物有最好抗震能力。由混沌擺(雙擺)的光軌與不同長度單擺及雙擺擺動時間比較的兩個實驗,可觀察雙擺的下襬擺動可減緩上擺的擺動幅度,當總長35cm、32.5cm、30cm(上擺長度固定),較單擺而言可減少擺動時間的比率分別為52.2% 47.7% 38.5%,而上擺能量衰減功率比值依次2.071倍1.875倍1.670倍,推知雙擺上下擺不同擺向、速度,產生干涉波可減少擺動時間與能量。將雙擺原理應用於建築物的流體阻尼球,利用流體特質,模擬上、下不同擺速的雙擺,由實驗結果推得,建築物受定力搖晃時,建築物水平加速度分別為:膨性流體(115gal) <鹽水(172gal) <水(207gal) <僞塑性流體(334gal) <剛性阻尼(346gal),若將膨性流體應用於超高樓的阻尼球中可穩定建築物,並可利用其擴溶效應,避免阻尼球受外力時引發的變形,以增長使用年限。

運用疾病軌跡搭配深度學習偵測胰臟癌風險

目的:在台灣,胰臟癌雖非癌症發生數最高,但85%為末期,五年存活率小於5%,有癌王之稱。如何早期偵測胰臟癌風險,一直是醫療上的重大議題。本研究運用時間矩陣搭配深度學習進行大量變數之胰臟癌風險偵測。 方法:健保資料庫收集國人疾病、用藥等結構化資料,可藉此反映每人健康狀態。將三年內診斷與藥物碼轉為時間矩陣,以卷積神經網路訓練,訓練組與測試組比例為9:1。 結果:共計案例組1095名及對照組10950名,訓練後測試組表現之AUROC(area under the receiver operating characteristiccurve)為0.937,六十歲以上及以下AUROC分別為0.846及0.897。 結論:結論:能將診斷、藥物、時間轉成矩陣,是以疾病軌跡預測胰臟癌風險,且能找到新特徵,未來搭配健康存摺,為低成本、快速、大量的胰臟癌數位快篩。