全國中小學科展

第62屆--民國111年

聲之形―探討膜管與聲音間的關係

本實驗以彈力膜、塑膠杯、鋼球為主體,將彈力膜繃緊於塑膠杯口作為發聲裝置,並以鋼球撞擊膜,使膜帶動腔體空氣一同振動,利用音訊分析軟體進行錄音、分析,藉以探討此裝置發聲的成因與相關參數對聲音的影響。 本研究中利用並聯彈簧機械模型解釋單膜與腔體間的交互關係,並透過實驗證明裝置的發聲取決於振動體間交互作用的強弱,且膜張力與聲音頻率呈正相關、杯子容積與聲音頻率呈負相關。 此外我們延伸探討兩端開管皆套膜的實驗,研究結果顯示此實驗上膜與純膜頻率相近,符合兩質量三彈簧振動模型,且一邊膜頻率>純膜(上膜)頻率,綜合各個實驗變因可知彈簧振動模型之有效性。

風吹砂—大風吹模擬沙子沉降實驗

本實驗是用電風扇當作風源,針對揚塵的落沙量及落沙區域進行縮小規模的模擬實驗。目的是找到擾流板的角度與間隔的搭配,期望能在揚塵發生時,透過擾流板將落沙的範圍縮小。 我們測量後確定風速衰退與距離有著高度相關的關係,風速衰退又會加速沙子的沉降。所以只要找出角度和間距的最佳組合,就可以有效著攔阻飛砂。 根據我們的數據,我們發現間隔對加速落沙沉降的影響比角度還要大。且有擾流板遮蔽時,落沙量都較無遮擋時集中。其中使落沙區域縮小最有效的組合是60度的夾角搭配15公分的間隔,這樣的搭配可以使落沙區域較無遮擋時減少16.7%。但如果是要阻擋砂子或是有效將沙子集中,最有效的搭配是120度的夾角搭配15公分的間隔,可比無遮擋時增加約10%。

防震未來式—懸浮技術的抗震

本實驗研究探討關於張拉整體結構運用在建築物結構的抗震應用,初步探究發現結構乘載過重時,結構體會因繩長變化,使得力平衡不穩定,導致結構體傾斜甚至斷裂坍塌,我們嘗試改善結構,讓此結構體達到更加穩固。張拉整體是一種懸吊平衡的結構裝置,因此也讓我們聯想其可運用在類似懸浮隔震結構的防震技術上,在初步設計上將拉繩結合彈簧,發現可以達到類似阻尼器的制震效果,因此我們進一步設計了一套懸浮抗震系統,系統結合物聯網技術,一邊能主動監測地震晃度,透過無線網路傳遞晃度訊息,一邊讓自主調控裝置依據晃度大小調整張拉整體平台使其回復到平衡狀態,經過地震模擬實驗發現能有效減緩晃度,思考未來可將其運用在建築物的防震技術上。

雙龍擺尾盪混沌-探討雙擺轉動時的混沌現象

本實驗的目的在探討雙擺在擺動過程中的混沌現象。我們利用EXILIM相機及Tracker軟體為實驗工具,探討下擺在繞圈運動時的條件。結果發現,雙擺在第3次擺動後開始明顯不規則。下擺繞圈現象出現在上擺兩端處,且連續繞圈數多為1-3次。此外當擺重越小,擺長越短或擺角越大時,下擺繞圈數及上擺振幅也較大。當擺重越大時,雙擺總能量快速減少,轉動圈數也較少。而當擺動過程中時,根據鉛直面圓周運動原理,只要下擺能量大於臨界能量(5/2mgR),即可產生連續繞圈現象。

有質量彈簧圈的複合振動與擺動

高中所學的單擺及鉛直簡諧振動,都是在假設擺繩及彈簧沒質量的情況下掛重物的運動模式,本研究使用有質量的彈簧圈,在不掛重物的情況下進行擺動及振動實驗。實驗中發現有質量彈簧的振動週期與擺動週期非常接近,而且同時運作的情況下會有穩定的共振運動模式。經過我們仔細的實驗觀察,發現這樣的複合運動共振態,在單邊擺動一定的次數後,經由似橢圓形變換過程,產生換邊擺動的有趣情況,對照多種不同擺動模擬的結果(複擺、錐動擺),我們推測振動為此模態周期的主要影響機制。

探討不同型態的海底峽谷對底棲動物群聚結構的影響

深海複雜多變的環境因子塑造了多樣的生態棲地,海底峽谷便是其中之一。全球 9000 個海底峽谷涵蓋了大陸斜坡總面積的 11.2% (Harris et al., 2014),其中有 6 個峽谷分佈在臺灣西南海域。由於海底峽谷型態多樣、地理特性各異,本研究結合作者出海採得的樣本與國內海洋研究所的採樣資料,對西南海域高屏與枋寮峽谷的底棲動物群聚結構進行探究。 本研究應用生態統計分析兩峽谷與大陸斜坡的環境與生物群聚差異,發現除了海底峽谷環境有別於周遭斜坡外,兩型態不同的海底峽谷亦具有顯著的環境與生物群聚差異。食物量與環境擾動強度對兩峽谷間的生物群聚差異貢獻最大,其對應的環境因子(有機碳含量與透光度)有潛力作為未來區分具有不同生態結構的峽谷的主要依據。

黑白有段

本研究題目源自科學研習月刊 ,原題討論將N節黑白毛毛蟲依顏色分成P段的種類數,可視為兩相異物的直線分段排列。 我們的研究由直觀而規律整合進而推出通論,第一個突破點為以長條格的切割找到將n節分p段的方法數。並將這個方法數以二維的思考解決N節黑白毛毛蟲分成P段的種類數。 並延伸研究為兩相異物環狀分段排列,而有以下發現: (一) 環狀分段排列受珠數與段數最大公因數f影響,而有非循環直線排列與循環直線排列不同的環狀轉換模式。 (二) 非循環直線排列需扣除循環的直線排列再轉換為環狀排列。 (三) 循環直線排列需扣除子循環的直線排列再轉換為環狀排列。 (四) 若f質因數的個數大於 ,則子循環直線排列數可用文氏圖幫忙分析。

Lill Path之立體圖形應用

本文主要在探討如何將二維Lill Path的性質推廣至三維。首先,我們證明有一自原點出發的射線在多項式函數f(x)的三維Lill Path進行反射,且此射線通過其終點的充要條件為f(x)=0有一實根(-tan⁡θ )。除此之外,我們還證明了射線通過三維ϕ-Lill Path終點的充要條件為f(x)=0有一實根((-sin⁡θ)/sin⁡〖(ϕ-θ)〗 )。接著,我們證明了三維Lill Path圖形封閉時之充要條件為此多項式有一因式為(x^3+1);同時,我們也證明了三維ϕ-Lill Path圖形為封閉時之充要條件為多項式有一因式為[x^3-(cos⁡ϕ ) x^2-(cos⁡ϕ )x+1]。最後,我們將三維Lill Path繼續推廣至n維Lill Path。我們證明了射線通過圖形終點的充要條件為f(x)=0有一實根(-tan⁡θ ),以及圖形是封閉時的充要條件為f(x)有一因式(x^n+1)。

絹雲母促進生物膜發育應用於提升土壤介質保肥能力之研究

本研究旨在確認加入絹雲母培養的菌液是否可提升生物膜產量,進一步提升保肥能力並幫助作物生長。研究結果顯示,菌液中加入絹雲母確實可以提升生物膜產量及部分菌株的菌液黏度,且這可能和絹雲母具有恆定pH值的功能有關。而在模擬土壤實驗中,菌液加入絹雲母後有較高的多醣含量,並且進一步提升保肥能力,且分別可減少31%的鉀肥以及17%的磷肥流失量。最後將絹雲母菌液做為保肥製劑應用於尖葉A菜(Lactucasativa)的種植,實驗結果顯示:加入絹雲母的菌液與未加入絹雲母的菌液組別相比,提升了30%的收成量。本研究結果顯示,絹雲母菌液可實際應用作為保肥製劑,透過恆定菌液pH值,促進生物膜發育,提供土壤穩定的高多醣含量,進而提高肥料之利用率而幫助作物生長。

奈米氧化鐵銅複合體應用於腫瘤協同治療

本研究結合奈米技術及生物醫學,創新以牛血清蛋白為載體,以一步法合成全新CuxFe3-xO4@BSA-IR780(CFO@BSA-IR780)多功奈米複合材料。材料鑑定由TEM、UV-Vis等儀器進行組成及性質分析。 材料中BSA賦予其優異水溶性;鐵離子有益在腫瘤觸發內源性H2O2產生活性極高的氫氧自由基,進行化學動力治療(CDT)。且光敏劑(IR780)讓材料呈紅色螢光,在近紅外光照射兼具光熱(PTT)與光動力治療(PDT)特性。 然而腫瘤內源性穀胱甘肽(GSH)過量會消除自由基,限制CDT/PDT效果。因此材料摻雜銅離子,藉氧化數變化增強療效。 後續更將CFO@BSA-IR780實際運用於细胞測試、螢光顯影與MRI檢測,確認低毒性、治療效果佳,並率先結合兩種診斷。成功發展具CDT、PDT、PTT及腫瘤顯影之多功奈米複合材料,以多種方式提升效率並降低傷害,提供醫學新興之藥物材料。