全國中小學科展

第62屆--民國111年

化繁為簡─尋找最小值通式

研究的方向是從「雙週一題」108第一學期的第三題出發:數列滿足X0=2 與│xk│=│xk-1+1│,k≧1,求│x1+x2+…+x2019│的最小值。題目只做2019項的相加,我們想延伸到 項相加,若從「雙週一題」公布的解析思考,每換一個 值都要一個推導過程,才能得到答案,不那麼直接,少了「公式」精簡過程的精神。故我們要找一個代入 值就能得到答案的通式。 將分支做了定義,框出各層得到最小值的所有路徑,找出層間共通路徑,並由此推出最小值的通式。之後嘗試用程式-貪婪法與窮舉法、雙週一題概念、數學理論等方法驗證最小值通式、路徑的正確性。

義大利麵之扭力係數與組合構造相關性研究

扭轉與斷裂過程在自然界中無處不在,從不同的剛性材料之耐震特性至飲食中的麵體筋道口感。我們觀察到市售義大利麵標示不同快煮時間,從而研究其麵體之不同組合構造:如細麵所接合而成之雙棍、三角、與四面型麵體,是否導致不同的扭力係數;同時,並自製一套扭力係數測量設備,研究其扭力係數與麵體長度、組合構造之關係,並以玉米纖維(PLA)材料3D列印不同的組合構造之細線,以驗證實驗結果;進而發現扭力係數隨組合數增加而增加,麵體扭力量測與斷裂極限約在總長1/3處,呼應了著名物理學家理查·費曼所觀察義大利麵總在施力下斷裂成三塊之世紀未解之謎。藉由本次實驗模型與分析技術之建立,相信可在未來提供更豐富的力學研究課題與更廣闊的研究前景。

魚你翼鰭飛—探討飛魚腹鰭對飛行穩定度的作用

在飛魚飛行時的影片發現,飛魚調整腹鰭來改變飛行狀態,可見在大家認為胸鰭為改變飛行主要原因之下,腹鰭在飛行時仍具作用,因此,我們測量班鰭飛魚標本、製作仿生飛魚和針對影片中的現象規劃兩項實驗:「運動行為實驗」、「風洞穩定度實驗」,發現在攻角為35~45度時,飛魚的穩定度最大。其中以A5、A7在外擴角θ5時,是最適合飛魚飛行的狀態,但又以腹鰭面積A7為最佳。

腸道菌對黃斑黑蟋蟀社會互動行為影響之研究

腸道微生物能透過菌腦腸軸影響神經系統,改變生物認知行為。本研究以不同食物餵食黃斑黑蟋蟀,探討飲食差異及腸道菌改變,對蟋蟀社會互動行為的影響。我們以高碳水化合物、高纖食物、高蛋白食物餵食蟋蟀,以蟋蟀獨處、求偶、示威鳴叫的聲學分析探討其社會互動行為的差異,再以蟋蟀糞菌、腸道菌混合食物餵食,分析糞菌與腸道菌對蟋蟀社會互動行為的影響。研究發現1.食物會影響蟋蟀的社會互動行為,食用高碳水化合物蟋蟀有較高的存活率與高品質的社會互動。2. 食用高纖食物蟋蟀呈現同類互食及較低的社會互動。3.腸道菌移植策略能改變蟋蟀的社會互動行為,腸道中所分離出的植物乳桿菌對翠玲瓏與高蛋白組蟋蟀腸道產生作用,改善其社會互動行為的品質。

各種控制因子對雙漩渦互動的影響

本研究透過水工實驗模擬實際雙颱系統並繪製出軌跡圖,以探討颱風中心距離、相對強弱,以及太平洋高壓的環流等控制因子如何影響雙颱系統,並對漩渦的結構進行了定量分析,以增加模擬結果的可信度。 研究結果顯示,上述三個因子皆對雙颱系統的交互作用有著重大影響,其中,當兩颱風中心距離越近,其受彼此駛流影響發生互繞的情形也越明顯;當兩颱風間有強度差異時,較強颱風的繞行軌跡曲率半徑會較小,反之亦然;在模擬中加入太平洋高壓的作用時,雙颱系統的運動軌跡則可視為上述結果與高壓造成之共同西向運動的疊加。

從分子層面探究藤蔓植物川七向觸引發快速攀附生長

川七為藤蔓植物,以3.5~4小時週期逆時針迴旋盤轉,碰觸物體後即以該物體為支撐快速攀附生長,速率可提升達30倍之多。本實驗探究川七啟動向觸生長的生長素機制。活體(In vivo) X光繞射,發現川七莖體中含多量的IAA,以及較少活性極高的4-Cl-IAA及6-Cl-IAA,且生長素並非以分子的形態,而是串接成週期性排列的晶體形態存在。攀附後,頂芽增生109%的IAA及191%的4-Cl-IAA+6-Cl-IAA,激發快速生長,且較多數的4-Cl-IAA+6-Cl-IAA被輸送到莖的非接觸面,形成彎曲莖體,纏繞支撐體。pH值測量顯示非接觸面氫離子濃度較高,吸收光譜則顯示非接觸面含有較多擴張蛋白,利於細胞壁的延長。本實驗由分子層面了解川七受到機械刺激時,如何引發向觸快速生長以及不對稱性生長。

埤塘的環境識覺與滿意度分析—以橫山書法公園的埤塘為例

橫山書法公園是許多民眾及學生的絕佳休閒景點。園區內除有書法藝術館,更有一處埤塘存在,此埤塘便是再生計畫的實例。我們想知道使用者對於埤塘的認知與了解程度,及使用者對於橫山書法埤塘公園的滿意度和想法。透過文獻回顧,我們使環境識覺獨立一個構面,而滿意度構面分成三部分,分別為埤塘景觀、休閒調適及公共設施。本研究主要探討環境識覺與滿意度之相關性,我們假設當使用者對於埤塘的認知程度高,滿意度也會呈正相關。故設計問卷量表,並使用嚴謹的統計分析及審查流程,最後發放正式問卷給使用者進行填寫,進行問卷結果分析。根據後續分析,我們發現當環境識覺程度愈高時,滿意度也會愈高,兩者呈顯著正相關,驗證了我們起初提出的假設。

探索校園植物的催氧率

在自然課做氧氣蒐集實驗時,我們發現紅蘿蔔分解雙氧水的氧氣,不及二氧化錳分解氧氣量的25%,引起我們想進一步去尋找,是否有能替代目前課本上所使用催化劑的校園內植物。實驗發現 : 我們尋找的17種校園植物都能作為分解雙氧水的催化劑,在釋出氧氣的反應過程,會因雙氧水濃度、植物科別、草木本、生長環境等因素而有不同的氧氣累積生成量、反應速率與反應總量;整體上以榕樹、小葉桑、大花咸豐草表現最佳;最後,以校園三種落葉最多的植物來做研究,發現落葉在高濃度雙氧水中催氧率亦極佳,其中以校園內長得最茂盛植物榕樹落葉的實驗效果最好,以此作為天然、環保催化劑,不但能替學校節省一些實驗經費,還可以兼做環保,省糧食,一舉數得。

具備感測器融合之智慧義肢

中華民國在110年3月的統計數據,神經、肌肉、骨骼之移動相關構造及其功能具有障礙之人口共計35.2萬人,他們都可能有需要義肢的需求。傳統的義肢通常具有外觀、方便性、適應性等的問題,使用上也相對吃力且僅能完成一些基本的肢體動作。在我們的研究中,針對了幾點進行設計:具有革命性的義肢功能、方便且易於使用的介面、輕量且美觀的3D列印義肢。 此研究以「上肢義肢」為出發點,做出讓殘疾人士在使用上,更有自主意識操作的智慧義肢。使用者可以在手機藍牙端收到「手指馬達訊號」、「壓力訊號」與「肌電訊號」等資訊,透過以上這些數據,使用者將可以更明確地感受到義肢就像是自己身體的一部分,讓義肢更具人性化與智慧化。

「氣蓋山河」 --- 氣壓式流化床餵食器的研究

本研究應用流化床以迴風使固體顆粒懸浮的流體原理,改良振動式餵食器,分析粒徑5mm飼料的阻塞因素,發展降塞策略。研究成果有: 1. 阻塞因素是環狀堆積會縮小出口,並促成最密堆積而不易崩落。 2. 飼料桶漏斗提供內側吹風管及中央迴風圓筒,提供向下出料壓力及向上迴風懸浮力,可達最佳出料速率(4940顆BB彈/秒)。 3. 本研究之最佳結構為: a. 圓柱形料桶:直徑12cm,高度30cm,漏斗口直徑2cm。 b. 中央迴風圓筒:直徑6cm,迴風口距漏斗口3cm。 c. 吹風管:水平角度45度、吹口距漏斗口1cm。 4. 出料動力參數為統內顆粒空間密度0.22g/cm3,風速16.7m/s,堆積壓力4g/cm2(5/8筒高)時,可達吹風出料,停風停料的效果。