全國中小學科展

第62屆--民國111年

別創新「格」---防災創意智慧格柵初探

氣候變遷引發降雨異常,每當強降雨造成金門低窪區域積水成災,不僅校內外意外頻傳,甚至發生觀光客「游」金門,出動橡皮艇幫遊客脫困,因此以SDGs為首要目標,設計加速排水的防災創意智慧格柵,縮短積淹水時間,減少災害發生,開創永續防災新局面。 首創輪軸格柵效益最佳,並校園實地埋設縮短積水時間,小朋友滑倒意外減少。且向縣府報告研究成果,建請納入施工設計及建置滯洪井池,已獲大大肯定與讚揚,將請相關單位研擬由低窪潛勢熱點試用。 我們也在重大淹水區實作成效良好,防災創意智慧格柵既可讓水流大量流至滯洪設施,減少災害發生,又可保存水資源供應民生用水,而非浪費流至大海,更可減少依賴向中國大陸購水需求,共創「三贏」何樂而不為。

「深」不可「測」——紅蓮燈魚3D座標重建與智慧管理系統

考量養魚業者未必能隨時隨地監控魚群的活動情形,因此本研究利用YOLOv5的視覺辨識模型及Deep SORT多目標追蹤演算法進行魚群的座標定位及移動追蹤,開發出一套「智慧魚缸管理系統」,我們分別使用600、150張魚隻照片作為辨識的訓練集與測試集,其結果準確度平均高達99.99%,進一步利用兩鏡頭拍攝的視差以及司乃耳定律所得折射公式重建出魚群中每隻個體的3D座標,再根據個體座標的變換計算其活動量,並推論其可能的行為活動,同時以三維動畫模擬出魚群在魚缸內的即時狀態,此外我們選用OpenCV的輪廓偵測函式,計算個體的側視面積,由此觀察魚隻的成長情形,最終將上述各數據寫入MySQL資料庫作統計分析,當發生特定事件時,將透過Line Notify傳送訊息及時通知業者處理。

割「聚」一「方」-切割重組正方形

本研究探討各種多邊形經由切割重組正方形,求取最少刀數。研究發現:一、長方形邊長比1:4^n時,最少n刀切割重組成正方形,為 1:m2(4n<m2<4n+1)時,最少n+1刀,介於1:4^n 、1:4^(n+1)間最少n+2刀;二、三角形中,等腰直角三角形只需1刀切割,正三角形為3刀,在相同的底與高比時,銳角三角形和鈍角三角形會比直角三角形和等腰三角形多1刀;三、平行四邊形影響最少刀數是底與底延伸長度比;四、梯形的上底+下底比高相同時,不規則梯形比等腰梯形、直角梯形的最少刀數多1刀;五、正多邊形中,正五邊形最少5刀;正六邊形為4刀;正七邊形為9刀;正八邊形為4刀;六、正方形連塊中,使用長方形切割法,三連塊最少刀數為2刀,六連塊為2刀,七連塊為3刀。

智慧型雲端監控孵蛋裝置

本研究之目的是以智慧型雲端監控孵蛋裝置,以取代目前市面上看到的孵蛋器。市面上孵蛋器大多分為兩種,第一種是當溫度未達到所需的設定值時,就持續通電加熱到達設定值後再斷電,這種控制方法非常簡單,但缺點就是溫度的變動量也隨之變大。第二種則是透過精密溫度控制的設備,來達到我們所要求的溫溼度,這樣的控制方法雖然穩定,缺點則是需要高額的花費。 因此,本次研究的方向是設計穩定且易於控制的孵蛋裝置。此作品運用PID控制理論結合ESP32雙核心,配合利用第一核心進行PID控制、第二核心進行連線狀態的監控以及資料的傳輸,並且運用APP應用程式來操控孵蛋裝置。實驗結果證實,此研究能以精準、誤差小、穩定度高和便利性來達到我們的目的。

御風而行的關鍵角度

我們以救生板加上帆運用於水上救生的想法,深入研究帆、風與航行原理的關係,嘗試以穩定直流的風源,探討順風、側風、逆風等各種風向的吹撫之下,藉由控制帆的角度,讓風帆救生板可以在最省力的狀態下御風而行的可能性。研究發現風帆救生板須以縱帆作為設計,以風帆救生板車於陸地上模擬不同風向與各種帆的角度作用下,當風以順風方式吹拂時,帆的角度為90度時車行速度最快、風吹來的角度為135 度的逆風狀態時,帆在150度時卻是可以逆風而行的,之後我們將陸上研究的成果,以地墊的高密度泡棉,改造成風帆救生板進行實測,水上救生的部分如以板上加帆的設計,以調整帆的角度就可航向目的地,達到御風而行的效果。

飛天魔板~探討利用強力磁鐵配置磁浮滑板、磁軌之設計及其應用

本實驗藉由3D建模及雷切加工方式將廢棄木板精準建置具有不同磁鐵間距的磁浮滑板與磁軌,再藉由磁鐵擺放位置的配置優化其移動效率。實驗中對滑板重量、軌道傾斜角度及軌道表面粗糙度等參數對其移動的效率進行探討。實驗結果顯示當軌道上方磁鐵的排列與地面垂直磁浮滑板的平衡最佳,且磁浮滑板磁鐵的配置是影響平衡的重大因素,研究中發現滑板底部磁鐵數量4個並取10mm-16mm間隔排列且磁鐵必須在最外緣平衡效果極佳,且磁軌之磁鐵間距利用鐵線緊結合到寬度約2mm時具有最佳的移動穩定性。將上述實驗成果應用於「 你推我跑」、「水上漂」等平衡遊戲活動時,可讓參與者體驗如何控制磁浮滑板及增加其滑行速度。

「直」棒「旋」手--探究瓶蓋棒球的飛行秘密

本研究利用瓶蓋取代棒球,透過自行製作的瓶蓋發射器來探究各種因素對球路的影響。結果發現:無論瓶蓋凹面朝上或下,發射後大致會在0.4秒飛到最高點,但瓶蓋凹面朝上發射時較穩定,不但飛行距離較遠、飛得較高,落點也比凹面朝下接近中央。發射角度會影響飛行距離,30度時能飛最遠。瓶蓋中間若挖半徑0.25公分的圓洞,洞數多寡對於飛行距離的影響不太明顯,落點無規則可循;但若只挖一個洞,半徑越大飛越遠。適當地配重增加瓶蓋質量能加強飛行距離,當瓶蓋內部增重在2.9公克時,能讓飛行距離變長。

錐尋格點-利用高階線性遞迴數列解有心錐線上的格子點之探討

在坐標平面上, 坐標均為整數的點稱為格子點,本文的研究是探討有心錐線(含圓、橢圓、雙曲線)上的格子點問題。 首先探討科學研習月刊中的一道數論問題:「你可以找到多少組正整數對 ,讓 的平方減5是 的倍數, 的平方減5是 的倍數?」,特別感興趣於滿足上述條件的生成下一組解,此解可由盧卡斯數列的相鄰奇數項觀察出來,於是我們嘗試推廣至一般齊次線性遞迴數列的情形。進一步探討生成下一組解的遞迴關係、建構有心錐線方程式、此方程式有解的數論性質及計數格子點的個數。若由上述方式推導橢圓,在判斷數論性質上有難度,最後我們利用二次剩餘及歐拉-費馬定理來克服橢圓上的格子點問題。

無線你的無限--無線電力傳輸效能的改善

無線傳電是非常新穎的創舉,但卻沒有人用簡單且便宜的方法來改善傳輸效率不佳的問題。在主線圈加入軟鐵後,輸入和輸出的功率比從52%增加到70%,大大減少無線傳輸能量損耗,且若次線圈再加入諧振線圈,則功率比可從52%再增加到80%,這是一個重大發現。在主線圈加入軟鐵實際無線充電之效果是:充電到10mAh時間從9分32秒縮短到5分23秒,減少3分51秒,效率提升40%。在次線圈加入諧振電路對實際無線充電之效果是:大大提升次線圈原本輸出功率約3.8倍,且主線圈加入軟鐵後,充電時間又再縮短20%。由實驗最佳數據,本組設計了無電池風扇並結合3d列印及雷射切割技術,使研究結果商品化,只需插上電源就可以使用。

海蟲的棋盤遊戲

本研究主題是在n×n陣列中,甲乙雙方輪流填入三種海蟲的遊戲探討。我們得到下列結果: 一、探究海蟲形狀與數量,我們利用「頭部的連接方向」和「頭尾的連接方式」,找出所有的海蟲圖形,並利用六連塊檢驗,確認所有的海蟲個數共是71種。 二、將陣列邊長點數n分成6k-3、6k-2、6k-1、6k、6k+1、6k+2等6個類型討論,找出n×n陣列可擺放海蟲個數的最大值。 三、探討只使用一種海蟲排入陣列的遊戲玩法,得到結果如下: 1. 6×6陣列遊戲結果必是甲乙兩方都放3隻海蟲,雙方平手。 2. 7×7陣列遊戲最佳結果必是先手甲方4隻、乙方3隻,由甲方勝1隻。