全國中小學科展

第61屆--民國110年

「滂沱汗似鑠、微靡風如湯」-宜蘭也有熱島效應嗎?

近年來,全球均溫持續上升,是重要的環境議題。本研究在分析宜蘭地區主要兩個行政中心,即宜蘭市、羅東鎮的熱島效應UHI值。我們利用中央氣象局觀測資料查詢網站CODIS所提供的氣象資訊,來探討各個時間點上宜蘭溪南與溪北的UHI值變化與其關係。根據研究結果發現:宜蘭市、羅東鎮於2011~2020年間的年均溫均有逐漸上升的趨勢,最高可達1.3°C。整體來說,兩地區春夏兩季的熱島強度較高,其次是秋季,冬季則最小;受到海陸環流的影響,使得白天的熱島中心偏向陸地(西)側,晚間則偏向海洋(東)側;羅東鎮的熱島效應較宜蘭市區明顯。

「風」來「聲」去— 風扇表面結構之降噪研究

風力發電是我們在澎湖常看見的再生能源,但風扇旋轉時帶來的噪音,卻限制了它的應用;要減少風扇的噪音,其中之一個要素是減少阻力,在本篇實驗中,我們從改變風扇表面結構,來從事減少噪音的研究。我們把高爾夫球表面的小凹,和鯊魚皮表面密密麻麻、交互排列的縱向凹槽,應用在風扇的空氣阻力上,發現絲襪和透氣衣在顯微鏡下的結構,類似高爾夫球表面的小凹;而白膠和皺紋紙,它們結構的共同特色,是在風扇表面形成規律排列的平行橫條紋,類似鯊魚皮的縱向凹槽,都可以達成降低阻力,從而減少風扇噪音,又不減少風扇功率的目的,另外,或許今後在設計風力發電或一般風扇時,可以考慮在表面蝕刻規律凹槽或刻紋,以減少噪音。

「翅」大招風-摺翅風力發電研究

本研究起始於參觀風力發電機後的突發異想,想要藉由仿生學的靈感設計出可以因應颱風損害的摺翅風力發電機,進而找出理想的摺翅風力發電機原型。實驗選定了瓢蟲和隱翅蟲兩種昆蟲翅膀進行模擬,利用可摺疊的昆蟲翅膀作為扇葉,配上不同砝碼,探討了不同風速、不同尺寸、開、闔翅膀對轉動及發電效率有何影響,研究詳細記錄了摺翅風扇的表現並探討各項變因對轉動效應的影響,最後討論出理想的摺翅風力發電扇葉。本研究認為摺翅風力發電機是相當可行的做法,希望未來能實際應用於風機發電,並推廣仿生學在科學科技的妙用。

「杖視」不欺人-導盲工具進階版

二維碼在我們的生活處處可見,不僅比一維碼儲存更多資訊,我們還可以利用智慧型裝置讀取,快速又方便,我們想利用這樣的特點在導盲磚上設置二維碼,配合導盲手杖安裝智慧型裝置。我們挑選二維碼中的QR Code來進行實驗,先從QR Code的由來、基本架構和製作方式加以觀察試作,接著探討改變它的各項元素:QR Code的內容形狀、配色、遮蔽讀取情形,接著把QR Code轉換成貼在導盲磚範圍大小上進行研究,再加上安裝智慧型裝置在手杖上的距離與地面夾角的實際測試,歸納出安裝具有QR Code導盲磚,配合手杖上的智慧型裝置,讓視障者能用聽的就知道現在所處的位置資訊。

茶葉冷知識之渾不守色~探討紅茶的乳化現象

紅茶,是日常生活中常見而且是我們愛喝的飲料之一,偶然發現紅茶表面漂浮著一層酷似油的白色物質,覺得很好奇。後來拜訪茶葉專家、查詢資料也設計實驗,展開一系列有關紅茶乳化的探究與實驗,得到相關研究結果及建議如下: 1.會產生乳化現象的紅茶其實含有較豐富的成份,有機紅茶是不錯的選擇。 2.運用100℃或40℃之RO水以1:50或1:75的比例泡茶。 3.建議泡茶時可以多次拉動茶包,使茶葉在水中跳躍,釋出茶中物質。 4.維持茶溫或是讓茶溫急速降低,較不容易產生乳化現象。 5.從電解實驗得知:負極的茶水區比較有反應,我們推論茶葉中的兒茶素趨於和金屬離子產生反應,所以我們推論喝茶能有助於人體排毒(茶中的兒茶素能吸附人體中的不需要的金屬離子)。

米苔目螺旋擠壓新製程

目前手工製作米苔目,操作十分費力且高溫悶熱,而製作的米苔目機器,無法以連續式生產,也不能有效控制米苔目外觀及長短。我們研發的米苔目螺旋擠壓機,具有自動進料、自動出料、自動裁切、可控制米苔目長度、節省人力、避免高溫操作等優點,而且組裝成本低,未來具有商品化之潛力。由實驗發現,隨著米漿糰含水比例遞增,米苔目之直徑、澱粉糊化度皆呈現遞增趨勢,而米苔目螺旋擠壓機之耗電功率則呈現遞減之趨勢。透過物性與品評測試,發現米苔目樣品E(粉:水=1.0:1.6)之彈性最佳。透過螺旋擠壓機可製作各種蔬果米苔目,天然健康色香味俱佳,且長度適當之米苔目可用波霸珍珠用吸管順利吸飲,未來商品化之潛力極大。

養灘親「離」----不同離岸堤對養灘面積大小的影響

近年來台灣的海灘面臨被嚴重侵蝕之難題,護岸措施不斷推陳出新。而目前台灣除了突堤之外,也有近幾年來發展興盛的「離岸堤」。一般而言,在離岸堤背後形成的砂舌或繫陸砂洲具有防治海岸侵蝕的功效。於是我們想藉由實驗來大略推敲出最適合養灘的離岸堤,來解決現在台灣沙灘資源 不斷減少的問題。本實驗以離岸堤的厚度、長度、高度、角度、離岸堤相對水深的高度、離岸堤離岸的距離、消波塊作為實驗操作變因,並以樂高機器人作為造浪機維持海浪的頻率、強度。結果發現,影響養灘效果前三名依序是:角度、離岸距離、高度,且波速會使離岸堤擺設的最佳角度有所不同。

量力而微-微波脈衝分析降低量子閘誤差

本實驗最主要探討如何降低 Two Qubits System 經由 SWAP 閘後 Qubits 互相交換訊號時產生的誤差,用 Qiskit 環境測量雙量子位元系統誤差,利用隨機基準測量實驗找出誤差值,目前經由我們測量後經典量子SWAP閘的誤差值為2.003%。為了提高現代量子演算法的可信度及可行性,我們將經典量子SWAP閘的誤差定義為初始誤差,我們嘗試設計新的交換邏輯閘 SWAP 閘,將經典量子SWAP 閘替換成其他能達到相同目的的邏輯電路和調整脈衝作用時間,以及透過交叉共振理論以及調整脈衝圖形找出最優結構,延長超導量子電腦 ibmq_casablanca 的保真度,最後經由實際操作得到新的數值,並測量其誤差。我們成功的利用自製的SWAP閘降低 67.2%的誤差,也找出沒有相位翻轉也能實現的 SWAP 閘,這是個可行性很高的實驗。

牽制數列

本研究探討「a平方-h是b的倍數,b平方-h是a的倍數」→「a平方+h是b的倍數,b平方+h是a的倍數」,發現若將前者的首項設為h-1,第二項為首項的平方-h,則其正整數解(a,b)會構成一數列且滿足遞迴式「第n+2項=(h-2)*第n+1項-第n項 」;若將後者的首項設為1,第二項為h+1,則其正整數解(a,b)會構成一數列且滿足遞迴式「第n+2項=(h+2)*第n+1項-第n項」。在探討「a平方±nh是b的倍數,b平方±nh是a的倍數」時,發現其解數列也滿足遞迴式「第n+2項=(h±2)*第n+1項-第n項」,其中新第n項=(n的正平方根)*原第n項。

步步高昇~爬樓梯機器人大解密

創作爬樓梯機器人時,我們先進行校園樓梯實測,發現學校樓梯高度介於13~ 17.7 cm,材質也不一樣,小組決定以學校數量最多的樓梯尺寸為基準,進行實驗。查詢市面上爬樓梯機器人的構造,發現車子的電力、扭力要夠大,輪子形狀至少3個輻條以上,前後輪的車軸距離要在兩個階梯的斜邊頂點以上,接觸點的摩擦力要足夠,才能避免下滑。 因此,小組決定將爬樓梯機器人原型設計成車子的結構,讓輪子能與地面有較多的接觸點,上方也可以載物,讓實用性提高。結果發現最佳組合: 1.車身設計:山型車身、彎曲角度130度。 2.車輪大小:車輪直徑>樓梯高度1.5 cm以上。 3.車軸設計:輪距前寬後寬、軸距>樓梯斜邊長+前輪直徑。 4.載重位置:身體前上方,靠近馬達10 cm處。