全國中小學科展

第61屆--民國110年

探討流動珠鍊於平面上產生彈跳的現象

本實驗為探討流動珠鍊產生彈跳現象之物理機制,分成燒杯內的彈跳行為及平面上的彈跳行為。我們研究發現,反作用力無法解釋珠鍊於平面上落下時仍會產生彈跳現象。實驗顯示,珠鍊掉落的高度越高,珠鍊的流速就會越快,當珠鍊流速達到一定值時,將會發生珠鍊彈跳的現象,這在珠鍊處於燒杯內及平面上都是一樣的結果。平面上珠鍊的擺設轉折處將會影響珠鍊是否發生彈跳現象,取決於珠鍊的擺設是否有多次轉折。轉折數越多、越集中,將越容易發生彈跳。藉由高速攝影機錄影大量觀察珠鍊彈跳現象,發現珠鍊在移動彈跳的過程中都會產生扭轉的行為,而且扭轉都會呈現類似S型的形狀,此增加珠鍊的支撐力道,造成珠鍊彈起的現象。

「救命」的安全平網~降低落下人員傷害的設計

當球落下至安全平網時,彈簧秤、繫繩角度,以及網面都會有變化。我們先製作不同設計的安全平網網體,利用彈簧秤測量繫繩拉力,再利用雷射筆反射軌跡法測量球落下的衝擊力,並利用Arduino連接超音波測距器來測量網面下陷程度,驗證雷射筆反射軌跡法的準確性。再來我們利用球的位置變化來算出有、無安全平網時的衝擊力,並用透明塑膠球裝顏料水觀察受力情形。實驗結果如下: 一、球由越高的高度落下,衝擊力越大,水的震盪越明顯。 二、衝量越大,衝擊力不一定越大。 三、有安全平網時,會比直接撞擊桌面、軟墊還安全。 四、理想的安全平網是以較有彈性的材質做為邊繩、外圍框架撐平網面、繫繩數量較多、適當大小的網面,以及網孔稍小為佳。

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。

「葉」!無所不捲

本實驗研究豌豆葉捲鬚的向觸性表現,其「纏繞」行為會受到「接觸」物體和「光源」的影響。我們觀察葉捲鬚會自發性在空中環繞,似乎在搜尋攀附物,當葉捲鬚的「前端」部位直接碰觸竿子在60分鐘內即「抓竿」,相較其他部位觸竿或者未直接碰觸竿子相比,快速纏繞生長。我們也發現莖條在側光源和竿子反向環境中會向光彎曲生長,導致捲鬚前端能「向觸纏繞」比例低,且纏繞圈數只有1-2圈。同樣在黑暗的環境中,纏繞的速度、圈數顯著降低。我們推測葉捲鬚的前端具「感應」能力,表現向觸纏繞,但光線給予「啟動」功能,當葉片被鋁箔包住無法感受光線,會導致纏繞比例顯著降低,我們期此實驗對攀附植物的向觸性學理提供基礎研究與未來在農業利用的參考!

微結構下的魔術師 ──萊頓佛斯特的溫度效應The study of Leidenfrost effect on micro structure surface by using frequent water droplet.

leidenfrost effect”是水滴能在熱表面產生蒸氣層並隨機跳動。我們便設想利用此特殊蒸氣層達到讓水滴往固定方向前進,甚至優化其加速結構。 我們設計 (角度θ=30°、45°、60°)×(高度h=1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm)共9種具數學意義的微結構。測量微結構在(160°C -350°C)溫度下水滴的速度、生命週期,並獨創「珠光粉慢動作攝影」研究形變、熱流。 我們提出未有文獻紀錄的空腔體積、有效接觸面、水滴外部形變機制、內部熱流循環等機制。利用上述資訊建構運動模型,發現θ=60°、h=1.0 mm水滴有最快的速度。且發現高溫段(表面溫度≥300℃),任何微結構,生命週期差距都極小。我們獨創性提出水滴在微結構下“leidenfrost effect”數學模型,理論值與數據吻合,成功解釋水滴的運動機制。

探討MPT-Cy2作為活性氧類(ROS)指示劑之利用

MPT-Cy2是一種容易與自由基發生反應的化合物,並產生如顏色及吸收光譜改變等變化。故本研究嘗試利用此特性,探討將MPT-Cy2作為活性氧類(ROS)指示劑的可能性。 實驗第一部份成功由硫化二苯胺合成出MPT-Cy2,並由電噴灑游離質譜儀(ESI-MS)與X光單晶繞射儀(X-ray)證實其結構無誤。 第二部份的實驗首先利用過氧化氫與亞鐵離子進行芬頓反應(Fenton Reaction),作為氫氧自由基的來源,再探討MPT-Cy2與氫氧自由基反應之特性。實驗結果顯示,在電子順磁共振光譜儀(EPR)與紫外光可見光光譜儀(UV-Vis)的光譜圖上,皆可證實MPT-Cy2確能與氫氧自由基產生結合反應。其中MPT-Cy2與過氧化氫之莫耳數比例為1 : 10000時反應速率最快,且結合反應能持續至830分鐘,未來可望作為活性氧類(ROS)指示劑。

仿生科技應用於提高太陽能板發電效率之研究

本作品自行開發組立氣體輔助彈性氣膜球實驗系統,並研製可調控之類複眼陣列結構母模具系列實驗設備,藉以複製出類昆蟲複眼之陣列微結構,並將其裝設於太陽能板上進行系統化的實驗,探討類昆蟲複眼之陣列微結構對太陽能板發電效率之影響。實驗過程中經探討不同實驗參數,對複製類複眼陣列透鏡成形性之影響(氣體壓力、週期、特徵尺寸等),並找出對太陽能板發電效率最適合的結構條件。實驗結果顯示,類複眼陣列透鏡結構,其單一特徵形狀愈小、密度愈高(週期愈小),其發電效率愈佳,本實驗條件下,發電效率最高可提升達7.86%,此外,本研究同時增能探討調控菲涅爾透鏡(Fresnells)聚焦方式,並獲得經最佳聚焦位置的獲得,將有助於對太陽能板發電效率提升。

天使的眼淚—探討不同情況下酒淚掛杯表現之差異

我們很好奇什麼是酒淚?為什麼會有這個現象?是否可以從酒淚來判斷酒的品質好壞?故我們設計本實驗來找出不同酒淚表現背後的影響主因到底是什麼。 我們發現並非所有酒精水溶液皆能形成酒淚;搖杯會生酒淚的主因之一為產生液體膜,不同高度液體膜對酒淚的影響皆不同;不同溶質與濃度會造成酒淚表現的差異,如乙醇濃度越高酒淚密度越大;含甘油越多,初始淚低出現時間越晚、酒淚掛杯流速越慢、淚滴寬度越大;乙酸乙酯越多,初始淚滴累積至落下所需時間較短、體積小而流速快;甲醇的趨勢雖與乙醇相同,但其表現又有差異。液體溫度較高時產生的酒淚寬度較大、數量較少但流速快。最後觀察不同種類酒杯的酒淚差異,發現威士忌杯的酒淚表現最明顯好觀察。

富麗「醣」皇~醣的黏性之探討

本研究以滴落時間作為探討不同「醣」的黏性差異,並與黏度計結果比較分析其效度。首先收集並檢測不同種類的單醣、雙醣和代糖是否適合進行黏性測試。除半乳糖、乳糖、水合麥芽糖、阿斯巴甜和糖精之外,其餘11種醣類均適合。接著分別進行醣類黏性探討;分析莫耳分率與黏性之關係;以不同濃度純蔗糖探討黏性;並以黏度計確認本實驗的可行性。研究結果發現:黏性以麥芽糖醇最大,而木糖醇最小,推測羥基的多寡可能是影響黏性的主要因素;混糖實驗發現純蔗糖比例越高、黏性越好,莫耳分率和黏性之間的相關係數高;純蔗糖濃度與黏性有高度正相關;最後,本實驗方法與黏度計比較具有效度。文末進行相關結果討論,並說明未來本研究結果在傳統小吃的運用。

「木」響「蛙」鳴-刮出自然樂章

以木棒刮刷木製青蛙背脊上的刮齒,可以發出類似青蛙鳴叫的聲音,使用聲音擬真度的分析,發現木蛙(T2)可以產生與翡翠樹蛙主要頻率(基音)和次要頻率(泛音)相同音名的頻率,再利用自行設計的「定速刮刷錄音裝置」對木蛙不同的變因進行實驗分析,結果發現:木棒的大小與重量變化不大的刮齒(不同數量、形狀、排列等因素),不會影響木蛙的主要頻率(基音)。而會使主要頻率(基音)變低的條件如下:1.相同材質:蛙身愈大。2.相同材質及相同共振腔大小:蛙身厚度愈厚。3.不同材質但相同蛙身大小:蛙身愈重。4.相同材質及蛙身大小:蛙口高度愈大、蛙口深度愈深、蛙口開口位置愈接近底部或頂部。最後找出以木蛙刮刷的8個音階,可以刮出自然的樂章。