全國中小學科展

第63屆--民國112年

影響盤頭絨泡黏菌最佳化途徑的因素及其應用

本研究利用檢索表鑑定校園中採集的黏菌種類,並探討盤頭絨泡黏菌是否具有形成最佳化路徑的能力以及什麼因素會影響其移動。我們利用環形迷宮及6×6迷宮測試,發現黏菌在夾角為90度時皆能形成最短路徑,而在夾角180度下則有60%會形成雙路徑,顯示黏菌能找到連結食物的最短路徑,且可以形成破解迷宮的最短路線。 我們探討金屬鹽、麥片濃度及咖啡因對黏菌移動的影響,我們發現0.2Osm/L氯化鈣可以有效抑制黏菌移動速度,以及黏菌爬行後的黏液會影響其爬行方向,當黏菌移動時也偏好較高濃度的麥片。未來將繼續探討影響盤頭絨泡黏菌決策的因素,以及其形成最短路徑能力如何應用於台灣城市間高速鐵路、高速公路及鐵路的應用。

「墨」世不忘~天然鐵膽墨水之製作與最適化探討

本研究旨在加入五倍子、綠茶等天然材料以製作環境親和力高之鐵膽墨水。將自製墨水分為三代製作,以色差儀與軟體ImageJ測量顏色,找出最適化比例。綜合所有測量數據,自製墨水之最適化比例為五倍子100公克,水80毫升,硫酸亞鐵2公克,阿拉伯膠2公克,丙酮1.5毫升者,其特點如下: 1. 添加愈多五倍子,其顏色愈深,添加100公克五倍子K值為99%;市售墨水K值為95%。 2. 墨水加入丙酮,具有乾燥速度跟市售墨水相同及顏色變化微小的特點。 3. 五倍子墨水遇水不易暈染;單寧酸粉及市售墨水較無法防水。 4. 自製墨水顏色受日曬影響較小;市售墨水受影響較大。 5. 五倍子墨水筆跡較市售墨水具有良好的保存效果。

運用疾病軌跡搭配深度學習偵測胰臟癌風險

目的:在台灣,胰臟癌雖非癌症發生數最高,但85%為末期,五年存活率小於5%,有癌王之稱。如何早期偵測胰臟癌風險,一直是醫療上的重大議題。本研究運用時間矩陣搭配深度學習進行大量變數之胰臟癌風險偵測。 方法:健保資料庫收集國人疾病、用藥等結構化資料,可藉此反映每人健康狀態。將三年內診斷與藥物碼轉為時間矩陣,以卷積神經網路訓練,訓練組與測試組比例為9:1。 結果:共計案例組1095名及對照組10950名,訓練後測試組表現之AUROC(area under the receiver operating characteristiccurve)為0.937,六十歲以上及以下AUROC分別為0.846及0.897。 結論:結論:能將診斷、藥物、時間轉成矩陣,是以疾病軌跡預測胰臟癌風險,且能找到新特徵,未來搭配健康存摺,為低成本、快速、大量的胰臟癌數位快篩。

一壓即縮——可壓縮三角錐之發明與研究

在工地或事故現場常用的交通三角錐因形狀固定、體積較大,而不易收納,於是我們針對此不便做出了改良與研究。經過多次實驗,最後,我們決定使用不鏽鋼線,燒製定形後,再用縫紉機將輕盈的紅色雨傘布縫製於上,讓角錐猶如彈簧般「一壓即縮」,即使是孩童也能使用,且如遇到事故,有彈性的布料角錐也能減輕碰撞的傷害。為了提升三角錐的穩固性並加強警示功能,我們用壓克力做了角錐的底座,並在內部配置電路,使三角錐具有聲光警示效果。藉由紅外線感應對靠近的人發出警示音,並於夜晚時,可設定發出不同色彩和亮度的光來警示。經過多次的實驗、測試,終於設計出具備聲光警示與輕巧、好收納等優點的三角錐,期望被各方廣泛使用,減少意外的發生。

扇扇「模」法師-探討影響沖積扇外形的環境因素

本研究藉由文獻探討和實地探勘了解沖積扇的外觀特色,並以模擬實驗探討影響沖積扇形成的環境因素。研究結果發現沖積扇的形成過程包含了堆積與擴散的過程,河流帶來的沉積物顆粒較大時,堆積作用較明顯;而沉積物顆粒較小時,沖積扇的擴散作用較明顯。支流坡度的增加與降雨時間拉長都會導致沖積扇的堆積與擴散作用明顯提升,而降雨強度的增加會明顯增加沖積扇的擴散作用。本研究也發現沖積扇上的建築物,須遠離河岸、扇頂、扇端,才可大幅降低未來災害的危害。希冀透過本次研究更了解造就沖積扇外形的因素,也能應用於土石流發生前的防災與離災工作。

飛天遁地虎父子─貝氏虎甲蟲動物行為之探討

貝氏虎甲蟲多在溪流附近開闊明亮處活動,有趨光性,成蟲活動範圍雄蟲大於雌蟲。捕食模式因獵物體型或移動類型差異有不同階段,獵物偏離追擊方向時突然改變角度且速度在4.0/ms以上時,易「重新鎖定」;對接近地面的獵物反應明顯且偏好較大型獵物。 雄蟲對動態雌蟲反應較明顯,會主動咬上交尾,雌蟲偏好產卵於潮濕、水平土層。幼蟲偏好潮濕、沙質、明亮土層築巢,土層深度達2倍以上體長時較能穩定棲息;捕獵時以頭與前胸塞住洞口,藉光影變化感覺獵物,以頭與前胸的彈器及腹部1-5節快速後甩彈出捕食(最快約34.9cm/s)。土層狹窄時會築延伸穴道。土坡越斜挖掘角度越大。淹水時築土門塞洞,土門深度與水量大小有關。

兩組直線所構造的三角形外心軌跡性質

本研究源於 2022 年數學雜誌《Crux Mathematicorum》的一道四邊形動態幾何問題,我們先將此問題設定為三角形,利用綜合幾何方法給出了兩種構圖條件下的三角形外心軌跡皆為圓弧,並且發現兩種圓弧的變換關係,也給出豐富有趣的性質。值得一提的是,分別對三角形的三個頂點輪換進行第一種構圖得出三個圓弧,這些圓弧恰可組合成三角形的九點圓,這是有趣的發現!回到原始問題的四邊形,我們構造了兩個三角形,透過巧妙轉換頂角與直徑圓變換而給出外心軌跡所在圓弧的兩個定點而解決此問題。最後推廣至鄰邊連線時,我們用雙射對應觀點簡潔刻劃了軌跡圓弧。重要的是,本研究處理四邊形的手法與三角形的是一致的,意味著證明手法具有推廣性。

繞遠路的螞蟻

本研究探討螞蟻在一個無向簡單圖上,由原點出發沿著邊移動。當抵達某一點時,螞蟻會選擇和此點相鄰的某一點前進,作為下一步移動,但不能往回走,若螞蟻回到原點便不再移動。已知圖上各點的度皆大於等於 2,試問螞蟻在數次移動後回到原點時,移動次數的期望值為多少? 我們最初是藉由觀察螞蟻經移動後回到原點的機率,推測每次回到原點時的機率之規律,但此方法難以在較為複雜的圖形上得到結果。接著使用了矩陣來研究,以矩陣乘法表示一次移動。有了矩陣,我們便能透過矩陣運算得到螞蟻在數次移動後抵達各點的機率,也能更方便的求出期望值。

有機金屬骨架吸附水中之汙染物探討

現今的水資源充滿各式汙染物,不僅威脅地球環境更對人類造成巨大的危機。本研究探討多種材料吸附染料及重金屬離子的效果差異。 首先將時間和材料質量固定,觀察、比較六種材料(含自行合成的四種材料和現成的ZIF-90, A520) 吸附染料的功效,實驗後得出Zn-MOF-74之能力明顯優於其餘材料。延續使用Zn-MOF-74為反應材料,可明確得知其吸附染料效率隨時間變化有下降的趨勢。我們想比較相同材料吸附染料及重金屬離子的效果差異,故我們使用Zn-MOF-74吸附鉛離子,間隔固定時間取出並秤量PbSO4沉澱之重量,即可推出Pb2+在水中含量的變化。由實驗結果可發現Pb2+含量亦有顯著的減少。由以上實驗可知Zn-MOF-74在吸附染料和重金屬皆有不錯的成果。期許在未來能夠實際應用並解決日益嚴重的水汙染議題。

玩水珠珠

本研究主要在探討液滴撞擊薄水液面後,產生的水珠滑行之現象。研究中,我們以液滴滴落高度及底部液面厚度作為操縱變因,測量飛濺出的水珠之各項性質,探討其與變因間的關係,並在用高速攝影機觀察其微觀機制,以及參考相關文獻後,推論滑行水珠的成因與滴落時產生的水冠因普拉托-瑞利不穩定性(Plateau–Rayleigh instability)而破裂有關[7]。我們用三種假設推論其所受阻力特性,配合實驗數據得出其所受阻力與速度成正比,並建立模型嘗試說明滑行水珠存在的原因,以及對實驗數據進行解釋。