全國中小學科展

第61屆--民國110年

以程式模擬限制空間中大腸桿菌之化學趨向性

本研究利用Python程式模擬大腸桿菌在自由空間、濃度梯度空間、濃度梯度隧道中的運動,並以所得數據分析對照大腸桿菌在現實實驗中的運動,歸納和預測其運動趨向性。經模擬我們得知,大腸桿菌在自由空間中的運動軌跡類似布朗運動,而在濃度梯度空間中的平均速率會隨著濃度梯度變大而增加,但會收斂在一定值上,濃度隧道則會對大腸桿菌產生引導的功能,使濃度梯度對大腸桿菌的影響更顯著。我們也透過模擬數據的分析與回歸,得出兩種不同環境下大腸桿菌在統計上所滿足的函數型式。

四色振盪—當B-R振盪反應遇到指示劑

BR振盪反應中,在配製溶液時需加入硫酸,使溶液呈酸性,又振盪具有無、金、藍三種顏色的變化,我們想利用指示劑在其中多穿插一個顏色,在多次實驗後,我們成功的做到了四色振盪(無➝金➝藍➝紅),也進一步以濃度、溫度為變因,並且利用Arduino 的感光電阻,來客觀檢測顏色變化,檢測四色振盪反應在不同濃度、溫度下的週期與週期數變化。

「凝」記在心

生活中的常見冰,大多具有冰芯結構,偶然之下,發現冰芯旁出現無數條放射狀微細空氣柱。本研究藉由文獻資料探討冰芯與微細空氣柱之成因,其與水溶液凝固時冰晶網狀結構、凝固點變化、與固液介面上氣體成核現象有關。並進行實驗設計探討不同容器、水溶液與環境控制對於冰芯與微細空氣柱之影響。發現熱導率低之容器,溶液內降溫速度較不穩定,使得空氣成核有中斷現象,形成具方向性、斷裂的微細空氣柱。水溶液中的真溶液與膠體溶液TDS值越小,會形成微細空氣柱;TDS值越大,冰芯體積越大,空氣成核較少。在環境控制下,冰芯會沿著牆壁夾角角平分線偏移,且角度越大,偏離容器中心越多。冰芯結構之美,可藉由容器、水溶液種類、冷凍環境來進行控制。

「鎮」「興」倦-探討鎮定劑、興奮劑對螞蟻族群的影響

高雄巨山蟻是社會型動物,有族群勢力範圍和首領。外敵入侵,蟻群會迅速啟動有紀律防禦(接觸、攻擊、護卵、殲敵),並在最短時間完全殲敵(平均18分13秒)。蟻后是防禦領導者兼主要殺手,殲敵率78%。服用鎮定劑一個月後,工蟻、蟻后領域概念低,蟻群出現防禦瓦解,殲敵率僅11%(60分鐘內),蟻后殲敵率「零」,完全失去領導力,但仍保有領導地位。服用興奮劑一個月後,工蟻、蟻后個別育幼行為雖明顯提高,但領域防禦降低,外敵最終由工蟻完全殲滅(平均52分52秒)。蟻后殲敵率降為56%,工蟻不再餵食蟻后,已喪失領導地位。停藥二個月後,興奮劑組蟻后有恢復領導地位,但兩組在60分鐘內,皆未完全殲敵,族群領域防禦仍未恢復,明顯已造成不可逆傷害。

探究食品添加劑在糯米粉糰中的增塑效果

為了解含氫鍵的食品添加劑對糯米粉糰所造成的塑化效應影響,自製拉伸機探討。於文獻探討中,我們找到了數篇文獻也在探討添加物對澱粉延展影響的問題,不過其製備方式略有不同。其一為將澱粉混合並熱壓做成薄膜;另一為將澱粉配置成凝膠液。我們基於可製成食品的方向進行研究,目前所得研究成果與論文的情形相似,氫鍵確實會影響澱粉團的能承受張力,冷卻情形也是變因。其中,添加劑劑量增加可達增塑效果。冷卻時間越長,麵條越脆弱,彼此間能承受的張力差也越大。冷卻溫度降低則使麵條所能承受的張力提高。

「石」在好玩-探討放石頭的規律

為了在放石頭的限制之下,找出(n×m)大小的方格圖,可以放幾顆石頭,並找出通式,本研究由1×1的方格圖開始慢慢擴展,求出數據,然後利用數據找出規律並利用階差數列、牛頓插值定理找出R(n×1)、R(n×2)、R(n×3)、R(n×4)的通式,並預測R(n×m)會是n的m次方。再藉由費氏數列、二階非齊次遞迴式的解法等方法找出R(1×m)、R(2×m)、R(3×m)的通式及R(4×m)的遞迴式 。透過整合利用階梯式累加法用excel表格整理區塊和區塊間的方法數差,始能快速找出第n列的通式,而求出R(n×5)、R(n×6)的通式。希望利用這些通式,透過整合推出方格圖大小(n×m)的通式。

"橋"遷之喜-水流對橋墩壓力與流速之探討

在日常生活中,橋墩遭河水猛烈沖刷,導致車輛或行人無預警的落橋事件,因此瞭解橋墩如何遭受水流破壞為當前重要課題。本研究藉由自製模擬渠道模型,探討水流碰到橋墩後的變化,並記錄不同變因下水流壓力與水流速度的關連性。經過實驗後,得到: 渠道水位越高時,則表層流速越慢,且壓力隨水位深度加深呈非線性增加。橋墩的存在會增加各量測的壓力值,尤其在橋墩前後壓力為最大,並隨橋墩與渠道邊的距離縮小,水壓會愈大而流速越慢。在橋墩形狀中發現,水流接觸的表面積越大,對壓力的變化也越大。不同橋墩形狀的流速比較△>○>◇>□> ,橋墩為四角柱時流速比較 > > > 。最後進行實際渠道測量,並與模擬分析比較,發現所有變因皆有共同的趨勢。

點分布與鋸齒狀函數的研究

若有n項,且的滿足ax={(1/2(b2+bn), x=1 1/2(bx-1+bx+1), 1以項數與其值繪於坐標平面並根據分布情況將點連線,圖形似鋸齒狀函數。 將原本散布圖的點經適當「不等量」平移後,再利用分段拼接概念,結合「取整函數」來設計一函數,使其能讓兩條異號的領導係數線段交替出現,形成鋸齒狀函數的圖形,最後再將點「不等量」平移回原本位置,即得一函數涵括所有點。 本研究將設定在不同條件下,分別可根據n值區分四類情況:n=4k,4k+1,4k+2,4k+3,k為正整數;在不同n值,其的一般項有著巧妙的異同處。 最後再將bx推廣到多項式函數,進而找到可行方法來求得對應的一般項ax。

巷弄T字路口來車偵測

許多人在駕駛交通工具時常會速度太快,不放慢速度便會使車禍發生機率大幅提升,在巷弄裡更是如此。許多車禍都是因未注意來車所導致,所以我們想出了在路口裝設感知器,用來感知是否即將有車輛靠近以用來提醒駕駛人,雖然在某些路口會裝設凸面鏡,但還是有駕駛人會忽略,所以我們利用感知器搭配手機APP,當車輛靠近路口且有來車接近,手機便會發出聲響與震動,來提醒駕駛,相信這會比凸面鏡更有效果。

「滯塵」之道,喬木先知—常見喬木的滯塵能力研究

為了解校園常見喬木葉片的滯塵能力,我們以茄苳、臺灣欒樹、小葉欖仁、烏心石、樟樹、肉桂、榕樹、血桐、龍眼、鵝掌柴等10種校園植物進行實驗。首先我們先觀察葉片的表面構造與塵埃分布,歸納出與滯塵量相關的特徵。接著比較方格法與紙重法2種葉面積計算方法,發現二者方法無顯著差異,再進一步以6種不同粒徑大小的落塵,進行沾附與揚塵的滯塵能力實驗。此外,我們也發現植物與水滴的接觸角大小並不會影響滯塵量的大小。隨著落塵的粒徑越來越大,血桐、小葉欖仁、榕樹和臺灣欒樹4種喬木的滯塵量也越來越差。無論粒徑大小,滯塵能力最佳的都是血桐、小葉欖仁和榕樹,建議校園可栽種滯塵力強的樹種,以減輕揚塵現象及沙塵暴肆虐時的空氣污染。