全國中小學科展

第60屆--民國109年

離子推進器之探索

本研究藉調控電源供應器電壓至高壓模組,可輸出不同高壓電,驅動自製以銅釘與銅管構造離子推進器,產生不同大小推力。因推力極小需自製儀器測量,藉檢流計內渦形彈簧與通電後檢流計指針偏轉,製作電磁扭秤量測微小推力。發現驅動電壓(3.7~7.6kV)與離子推進力呈正相關。調整銅針與七枚銅管間距,間距小於0.80cm,尖端放電且推力略為降低,間距介於1.30cm與1.45cm時,轉變為吸力,進一步觀測單一銅管周圍流場,類似電偶極場分佈,說明離子推進器銅針與銅管間距小,視為平行板電場,而銅針與銅管間距大,可視為電偶極電場分佈。最後間距大於1.45cm時,推力驟減為零。產生離子風,通過銅管後的空氣噴流,磁力不偏向證實不具有正負電性,但未經銅管的噴流應帶有正電荷。

觀其「舞」∙知其「聲」

本研究從傳統科學遊戲「雷射聲波筒」出發,自行研發出既安全又能精準量測聲源透過氣球皮振動而反射出圖形變化的【聲波振動顯現儀】,發現聲音的頻率、響度皆會影響投射至方格屏幕上紅點圖形的長度及形狀變化,其中尤以介於140~300 Hz的低頻音較容易使氣球皮產生大幅的振動,且響度越強圖形長度也會隨之變大。 而氣球皮的面積及緊繃程度亦會影響投射至方格屏幕上紅點圖形的變化,最後我們更成功研發出【聲波振動模式檢測儀】,能檢測氣球皮受聲波擾動位置及生成圖形間的關聯性。 我們用一整年的假日、週三下午等時間完成此研究,發現物理世界中聲與光的奧妙之處,付出再多的辛苦也值得!

「磁」母手中線-探討電容放電時間常數對電磁砲發射的影響

透過文獻整理,我們發現大部分的研究結果顯示出電壓、電容、螺線圈的粗細、匝數以及子彈質心位置等變因會影響發射威力。在電容的研究中,有提到當電容量增大時,發射速度會上升;但是電容量再更大,速度則會下降。我們覺得這個現象很奇怪,為什麼不是電容量大速度就無限上升呢?實驗後我們發現,在固定電壓時,電容量在一定範圍內,發射速度有極值。若此時再提高電壓充電,不僅發射速度會下降,繼續增加電容還會有子彈反向射出、折返後再射出的情形發生,亦即發射速度會隨著電容大小而振盪。就我們所知,這是以往的科展研究中從沒被發現過的現象,經過我們設計實驗仔細測量與分析,我們認為這與電容放電的時間常數有關。

翩翩起舞—旋翼球體在流體中旋轉、浮升、擺盪的現象研究

本研究利用加裝塑膠翼片的保麗龍球,觀察球體在水中浮升的軌跡、升速和轉速,並比較相同球體在風洞中的表現異同。 在水中只要二翼球體升速和轉速比值(升轉比)≦6.8,六翼球體≦8.04,便能垂直穩定浮升,以角動量穩定球體尾流產生的振動。翼玄和翼展愈大,攻角愈小,都能有效降低升轉比。我們再複合水平旋翼和側翼,以側翼破壞維持穩定的角動量,使球體以螺旋軌跡浮升,增加上升時間、改變橫移幅度和轉速,並推導出柱狀螺旋方程式。 在風洞中,展玄增加及攻角減少,也同樣可以提高轉速維持穩定性。根據前述研究結果,我們設計(1)氣體流速計:可根據振幅,量測1.5m/s到4.0m/s的風力變化。(2)潛水員定速浮升器:調整旋翼攻角、展玄尺寸和浮球大小來控制升速。

往事重「堤」看頭城—突堤效應

突堤效應是指人工建構物突出於海岸,延伸而出,阻擋原先海流和海岸積沙的路徑,造成沙子在上游堆積,而下游原先有沙岸的地區則因為沙子量逐漸減少,侵蝕大於堆積,逐漸出現海岸遭受破壞。突堤效應會造成壩前堆積、壩後侵蝕的情況。因為突堤效應造成的結果,頭城海濱森林公園(原頭城海水浴場),在這十多年中,原本的沙灘現在已完全被海水覆蓋。 本校位於頭城海濱森林公園附近,看到頭城海濱森林公園的海沙在烏石港建後己經流失不見,希望藉由實驗瞭解突堤效應,並希望在實驗後對頭城海濱森林公園的突堤效應提出建議。

"粉"飾太平~探究不同粉漿之抗震表現

車子行經水泥路面或地面減速帶,常因強烈振動而帶來極不舒服的顛簸感。我們將「非牛頓流體」及「水泥沙漿」以不同比例調製出“另類粉漿”,製成具有抗震效果的減速帶和腳踏車道,以解決行路難平的困擾。 首先,我們找出非牛頓流體特性明顯、且表現穩定的濃度3:2玉米粉漿,和水泥沙漿以八種比例調配,除以彈力球施測;並將粉漿製成減速帶,以可調速動力車探究粉漿之振動表現;甚至自製300公分長的粉漿腳踏車道,進行實車測試,證實調配比例「5:1的混合粉漿」抗震表現優於水泥沙漿約2倍以上。若能將此另類粉漿應用到防撞條、運動遊樂場地的防撞墊、工廠機器的防震墊、步道的透水磚等,不僅提昇生活品質,更能減少對水泥的依賴及汙染。

利用生成對抗網路生成擬真的山脈地形

本研究中,我們利用Google所提供的API收集來自台灣及中國的地形高度圖(heightmap)和衛星空照圖。我們利用收集的圖像訓練pix2pix cGAN (conditional Generative Adversarial Network) 模型,並將人工繪製的高度圖加上真實山脈應有的細節(包含尖銳的山脊、山壁上的紋路、連續的河流網路……等),透過訓練的pix2pix模型生成更接近真實山脈的效果。為了提升擬真地形的生成效果,我們在原先pix2pix模型的基礎下,額外加入「動態權重層」來達成。最後利用這些經訓練的pix2pix模型,開發了API、Unity客戶端及網頁客戶端,使我們訓練的pix2pix模型更加實用。本研究除了能應用於遊戲開發,使生成擬真山脈的流程更為簡化,也可將其應用於將低解析度之高度圖轉換為高解析度之高度圖,同時保持高度圖的真實性,幫助地形資料的收集作業。

Crazy knights

據Guarini騎士交換難題,我們設計出156個瘋狂騎士棋盤,並以對應之節點圖形特徵決定騎士擺放位置、最多騎士對與最少交換步數規則。 一、騎士對交錯擺放有利於找到最少交換步數。 二、單一節點圖最多騎士對得到最少步數關係如下: 1.「環圖」與騎士對關係為「騎士對數量」×2+1 2.「非環圖」與騎士對關係為「騎士對數量」×3 3.當Vf=2且Vt=2,則 nPmm=3n 4.當V_f=1且V_t=2,則 nPmm=2n+1 三、臨時停駐點決定環上點數與騎士對的關係如下: (一)若點環上有臨時停駐點,則最大環點數與騎士對關係為 2n 。 (二)若點環上無臨時停駐點,則最大環點數與騎士對關係為 2n+2。 四、度序列可作為判斷同構圖的有效工具,但需參考節點圖特徵將分岔點與臨時停駐點的距離予以比對確認。

沙墨乾渴、水山爆發-白板筆之創新設計

市售棉心式白板筆是以毛細現象將墨水儲存於棉心,當墨水過量會有漏墨問題或無法將墨水以毛細現象完全導出。本創新直液式白板筆是類似鋼筆方式儲水,其物理原理與舊型棉心式完全不同,它是以內外壓自然平衡來導引墨水,實驗中以棉心吸水效率、墨水損失率與色彩分析相關的實驗驗證下,其可改善舊式白板筆的缺點。但新式白板筆仍會受環境溫度與壓力變化而有漏水狀況。本組以自製測試設備輔助下,模擬了溫度對應壓力的變化、墨管內空氣與墨水膨脹率不同產生漏墨與高山大氣壓力降低導致墨水溢出的實驗。根據實驗結果本組進一步設計以針筒活塞來調整壓力的新式白板筆,完全解決了漏墨的缺點,且此環保可重複使用的設計是值得持續研究與推廣。

正n多邊形中的等腰個數這樣算!

此研究一開始從科學月刊中的七邊形之謎出發,先研究在正多邊形中黑點數為2的條件下能畫出幾個等腰三角形,其中我們透過觀察得到了一些性質,並證明出正n邊形2黑點的類型分別會有n(n-2)/2個等腰三角形,n為偶數;n(n-1)/2個等腰三角形,n為奇數。接著又證明出正n邊形3黑點的類型也分別會有n(n-1)(n-3)/4個等腰三角形,n為奇數;n(n-2)2/4個等腰三角形,n為偶數(不為4的倍數) ;(n2-5n+8)/4 xn個等腰三角形,n為偶數(4的倍數)。