全國中小學科展

第62屆--民國111年

紋蜂不動-紅腳細腰蜂飛翔懸停能力探究

本研究透過形態、野外觀察及室內實驗等方式,探討紅腳細腰蜂的翅膀構造與飛翔懸停之間的關係。研究發現紅腳細腰蜂共12段體節。前後翅從第2胸節長出。翅脈各由14及8塊三角、四邊及圓形的翅區構成。野外飛行可歸納為「抬身展翅」、「離地彈飛」、「飛行懸停」及「落地降落」四階段。飛行懸停時,翅膀夾角介於135-180度之間。會使用口器及六足叼抓物體,進行負重飛行。 實驗研究發現,當前後翅張開到180度時,翅膀與空氣接觸面積最大,其抬升的高度、速度以及下降速度等表現最佳。據此推論紅腳細腰蜂飛行時,會藉由擺動翅膀角度來控制翅膀與空氣接觸面積,達成懸停之目的。翅脈紋路會影響翅膀抬升高度、速度及下降速度,有紋路的翅膀有較佳的懸停表現。

「畫」出糖友新「氣」象~繪圖軟體小畫家觀察二氧化碳濃度變化與血糖關係

利用澄清石灰水檢測二氧化碳氣體的原理搭配繪圖軟體小畫家,先拍攝不同濃度的二氧化碳進入澄清石灰水的照片,將照片匯入繪圖軟體小畫家,點選色彩編輯器看照片中的色調E、濃度S、亮度L、紅色R、綠色G與藍色B六個數值,發現濃度S、紅色R、綠色G與藍色B四個數值變化與二氧化碳濃度變化相同。有新聞報導二氧化碳濃度與血糖濃度有關,運用此方法,拍攝用餐前與用餐後不同時間,吹氣進入澄清石灰水的照片,照片匯入小畫家,點選色彩編輯器看六數值,研究結果發現血糖濃度變化趨勢與其中幾個數值變化趨勢有相似性,期盼可以運用在血糖濃度變化偵測。

病毒病毒遠離我

「微飛沫」是新冠病毒傳播途徑,在密集空間風險更高。飛沫受氣流或通風系統影響,我們探討在非流通的空間,使用隔板方法,增加防疫效用,減少病毒傳播。實驗得知:1.微飛沫軌跡追蹤與分析:以噴霧瓶噴發螢光水溶液,模擬飛沫噴散,經紫外燈照射,清晰拍攝噴沫飛行軌跡及殘留情形;以Image J軟體分析計算,量化飛沫殘留量。2.隔板位置:高度45cm時,距離50cm為佳。3.抽氣過濾裝置:隔板下緣加裝抽氣裝置,飛沫朝隔板流動,總殘留量減少50%,以自製第一代微型抽濾裝置可降低30%,並具殺菌及過濾 (可抽換熔噴布或Hepa濾網)效果。4.第二代微型抽濾裝置:改良一代缺失,採抽氣隔板與過濾盒組裝方式,可連接個人過濾盒或多人共用過濾系統,節省空間並具商業價值。

液滴爆炸

本研究探討乙醇水溶液液滴於疏水流體表面之分裂現象。此現象可利用揮發造成乙醇之濃度梯度所驅動的表面張力梯度來解釋,又稱為馬倫哥尼現象(Marangoni Effect)。液體為達到最低表面能而改變表面積的普托瑞立不穩定現象(Plateau Rayleigh Instability)也可以做為液滴分裂的解釋之一。 在研究中,研究團隊發現溶液在油面上會隨時間分裂出子液滴,並對於最終子液滴的半徑與分裂現象分別進行定量與定性之探討。本研究於先遣實驗中發現乙醇水溶液濃度之臨界下限為65%~67%重量百分濃度,並以大於(含)此濃度之溶液進行關於乙醇濃度、溶液體積與油層厚度三項參數對於最終子液滴半徑、分裂時間、液滴最大擴散半徑與擴散半徑演變之影響。

通風報「蕈」,「畸」不可失-發展食用菇類之形態變異栽培技術

菇類是真菌界的生物,發育受到各種環境因子的影響,市面上許多人工栽培的「畸形菇」,雖形態變異卻更具價值。我們結合颱風的結構,開發「旋風孵菇器」使栽培標準化,將六種食用菇的基質填裝在不同容器中,以扭蛋菇進行後續測試,並測試出最適發菇溫度;以扭蛋殼半開組控制發菇位置,利用無光和密閉環境使菇類形態變異。我們發現:無光使大多數菇種菇蕾增加,發菇提早,但生長緩慢,且蕈傘變白。通氣程度是菇體畸形的關鍵,應是受CO2濃度的影響,秀珍菇和白雪菇不開傘、藍寶石菇多分枝、玫瑰菇變鹿角狀、柳松菇蕈柄延長,珊瑚菇則是半通風環境下會巨大化;容器形狀不影響形態發育。最後,歸納出多種食用菇盆栽畸形化的栽種方法,供大眾參考。

不怕熱的瀝青-遮熱塗層應用於瀝青路面

本研究目的為替柏油路增加遮熱塗層以延長使用年限,參考文獻曾利用二氧化鈦,但因為遇到液體時摩擦係數會變得非常小,所以文獻中有增加粒料用來增加摩擦力。為兼顧環保與成本,我們想利用台南盛產的蚵殼代替粒料及二氧化鈦來完成成本更低的遮熱塗層。 為確保研究成果符合工程實用性,我們使用公路總局近年新研發的密級配瀝青磚作為實驗對象,利用高強度凝固快的EB1環氧樹脂與二氧化鈦與蚵殼,便可作為瀝青上方的遮熱塗層。EB1A劑:EB1B劑:二氧化鈦:蚵殼=60g:20g:20g:80g,其配方混合而成之遮熱塗層進行測試時得到最好的升溫抑制能力,凝固時間1小時,2小時會達到完全硬化,其兼顧強度、成本與道路安全規範,且鋪設流程相當方便。

瀑布下的陷阱~探討漩渦在瀑布深潭中的形成及其運動情形

研究發現瀑布漩渦的形成主要是有不斷出現的強大水流流進深潭,持續的水流來回交錯就可能出現漩渦;如果遇到潭底礁石,更容易產生漩渦。而人偶在深潭中會以橫向或上下移動方式持續運動,水流會對人偶產生拉址現象。 經實驗探究發現:高度越高及水流量越大的瀑布,水流會離開石壁以幕簾式或水柱流入深潭,較容易形成漩渦,掉進漩渦內需較長時間才能往外脫離。另外,在凹地地形人偶較容易被石頭卡住,但水流會在凹地處產生一個向上向外的流動,讓人偶往外離開漩渦,是一個脫離的機會。 最後提出建議:瀑布區旅遊,不應該進入到深潭區。瀑布漩渦並不是一直保持著強大水流,會有一段時間水流會將人偶帶往旁邊,如果發生溺水人們就可趁這時間點逃離漩渦。

F1賽車的魅力-Double D 空氣力學套件開發研究

模擬高風速對模型遙控車產生之Double D (Downforce下壓的力與Drag阻力)比值切入空氣力學套件角度研究。下壓的力增輪胎抓地力,轉彎速度增快,縮短單圈時間 (lap time)贏得比賽。我們選取Nissan GTR與F1 Ferrari SF21遙控車,以巴沙木自製單層、雙層(主副翼不同角度組合)、三層共17組尾翼,自製風洞模型、掃葉機風力、2個電子秤同測前後輪下壓的力、拉力計測阻力,發煙機及LED燈拍攝氣流。結果發現尾翼寬度增寬與尾翼攻角越大,可增加下壓的力。阻力與風速平方成正比,相關係數0.94。對雙層尾翼,增加副翼角度比主翼角度更可增車子下壓的力。主翼0∘-副翼75∘造成「總下壓的力變化量/阻力變化量」比值0.78為最大,乃增加穩定度之最佳尾翼選擇。再以3D列印技術製作出最佳主翼0∘-副翼75∘尾翼。

轉、轉、轉、紙轉千迴

洪新富老師有張隨著開合旋轉的紙雕名片,我們好奇: A、如何製作會旋轉的紙雕? B、其旋轉角度有無規律? 在分析探討後發現: 一、在菱形結構中,當摺線呈階梯狀,就能旋轉; 二、在鳶形結構中,要旋轉還須:「中線至較大剪角頂點距離」 ≥「中線至較小剪角頂點距離」-「第一層和第三層剪線在對摺線上的間距」。 三、菱形和鳶形結構,不管每層剪角是否相同,相鄰兩層的旋轉角度皆會相差 「180度-第n層起始處與第 層起始處的夾角」, 其中每層剪角相同的結構,相鄰兩層起始處夾角為一個摺角。 四、在圓形結構中,當摺線呈階梯狀,且摺角不等於180度即可旋轉,其中 若摺角皆<180度,則逆時針旋轉,若摺角皆>180度,則順時針旋轉, 且旋轉角度都隨層數遞增。

「非西瓦」時之三角形面積分割探討

研究想法來自於三中線將三角形平分為6個面積相等的小三角形,試想如果分割線不是中線的話,分割結果會是如何? 先研究三角形三頂點與其對邊上的三等分點連線,將三角形分成19個區域,我們運用孟氏定理計算出這些區域的面積比及一些延伸性質。 運用上述計算技巧,研究三角形三頂點與其對邊上的任意分割點連線,當三條分割線不共點 (非西瓦) 時得分割三角形,證得此分割三角形面積與原三角形面積比公式。 推廣至當分割點在邊上或其延長線上時,研究分割三角形存在條件及圖形分類。依分割點是否在邊的延長線上,分為八種類型圖形,以數學軟體模擬找出所有圖形有73種,證明這八種類型之分割三角形存在的條件及面積比,並歸納以一個公式表示面積比。