全國中小學科展

第63屆--民國112年

尋找最佳跳豆!

跳豆為輕殼與重球組合而成,輕推能重複翻滾。本實驗分析其運動過程與模式。實驗中可發現跳豆不斷重複「殼平行斜面」與「殼翻轉」的運動模式。隨跳豆長度增加,「殼平行斜面」的鋼珠加速區變長,但翻轉時間也變長,導致飽和速度明顯較低,在有限斜坡長度下有最佳跳豆長度。本研究利用移動和轉動方程式得到翻轉期間鋼珠理論加速度,搭配實驗數據得出速度理論值與速度實驗值有相似的趨勢。隨著跳豆寬度越寬,跳豆翻轉期間鋼珠速度對時間由「V」型轉變成「W」型,出現二次加速段,且在有限斜坡距離下,跳豆有理想寬度。可翻滾的情況中,內球質量越小越快達飽和且加速減速變化量值較大。

白匏子銀白葉背與星狀茸毛功能之探討

白匏子為低海拔地區常見先驅植物,具銀白葉背特徵。利用顯微鏡觀察葉背發現密佈白色星狀茸毛,利用分光測色儀測量幾種植物葉背反光強度,發現白匏子反光能力最高。利用氯化亞鈷試紙顏色變化測量蒸散速率,白匏子葉背蒸散速率最慢。去除葉背茸毛後,反光能力下降很多,蒸散速率也變快很多。幼葉上表面長有濃密褐色星狀茸毛,下表面則為白色星狀茸毛,之後新生葉上表面褐色星狀茸毛消失,最後成熟葉只剩下表面有白色星狀茸毛。野外觀察發現幼葉與新生葉較完整且無損傷,成熟葉則大多有蟲咬痕跡。在葉子滴硝酸鐵,檢測是否含有抗蟲的單寧酸成分,結果發現幼葉與新生葉密生的褐色茸毛含有單寧酸,隨葉子成熟,單寧酸茸毛漸變少,只剩葉背有少量分布。

穿梭 2D 與 3D~數形合一解構嵌合立方體之研究

從研習問題出發,數學模型化使用積木方塊組成嵌合面,聚焦在每個嵌合面與面間「咬合」關係。先探討存在性,發現基本嵌合面受限於單位結構,僅正六面體滿足嵌合正多面體條件。接續,透過「數值」搭配「圖形」分析,找到「n×n×n嵌合立方體建構方法」,稜值奇偶性+8 個角量判別式寫入 EXCEL,代入即可確定是否滿足「嵌合面角量之要求」及「每個嵌合面對應嵌合稜的方位」;再配合稜值—同構稜值、嵌配稜和判斷值可確認 n×n×n嵌合立方體 6 個不同嵌合面組成的正確性。 最後,透過「旋轉運算」得到「3+1 連基本結構」,可在 3D嵌合立方體與 2D嵌合矩形快速組裝轉換;解構 n×n×n 嵌合立方體有6n2−12n+8個方塊,重組成2D嵌合矩形面積最小值公式為n4−3n3−2n2+7n+3,其中 n≧4。

叱「渣」風雲-廚房廢渣再利用

學校五年級上學期的種植實驗中發現校園植物區的土壤太硬,因而思考加入廚房廢渣加以改善,但常見的廚房廢渣除了種植外,在驅蟲、吸濕、吸油也有效果,本研究選擇咖啡渣 、茶葉渣、蛋殼、甘蔗渣進行實驗。 研究結果發現:在種植方面,蛋殼與培養土比例2:8最佳,甘蔗渣與培養土比例3:7最差;而咖啡渣與培養土比例3:7及甘蔗渣與培養土比例2:8時,莖的生長長度最長;茶葉渣未觀察到因比例不同而不同的現象。廚房廢渣在驅蟲能力方面,咖啡渣最佳;吸濕能力方面,甘蔗渣最佳;吸油特性方面,甘蔗渣最佳。蛋殼除了在種植方面有耀眼成績外,在研究的另三項表現都最差。 經本研究探討這四種廢渣後,我們發現廚房廢渣一點也不廢,全是寶啊!

Thigmokinesis對多霜蠟鼠婦及光滑鼠婦交替性轉向反應的影響

本研究探討多霜蠟鼠婦及光滑鼠婦是否具有Thigmokinesis,並且此行為是否與鼠婦的交替性轉向反應有關。在選擇室實驗中,5分鐘內有96.7%,10、15分鐘內有86.7%、93.3%的鼠婦選擇停棲在粗糙表面,且在無轉彎的T字迷宮中,有95%的鼠婦在轉向時會受到粗糙面的影響,且當表面越粗糙時,鼠婦轉彎角度越大,此確立Thigmokinesis與鼠婦的轉向反應有關。我們進一步探討外在刺激的影響,發現有73.3%的鼠婦受到外在刺激後,會產生交替性轉向,且當強制轉彎次數增加,鼠婦的交替性轉向反應頻率也增加,因此證明除了強制轉向次數外,外在刺激與牆面的粗糙程度也是影響轉向反應的因素之一。

救從這裡來-圖像式避讓裝置效能之研究

我們曾在新聞上看到聽障駕駛因阻擋救護車的路線而遭到開罰,雖非故意,卻也可能造成嚴重的損害。且現在的車室密閉性高隔音效果佳,若音樂播放聲量過大,駕駛人可能因此忽略救援車輛駛近,造成擋道的情形。本裝置是透過偵測救護車警笛所發出的特定音頻,來判斷是否有救護車駛近。輔以AI鏡頭的視覺辨識功能,自動判斷救護車與本車的距離、來向。並透過圖像式的警示標誌提醒駕駛者有救護車駛近,並提示避讓方向。期望能藉著電子化的偵測和圖形化的提醒,讓救護車更有效率的通過車陣。未來也希望能結合自動駕駛系統,增進道路安全,提高救援效率。

新型輪椅輪胎發想與應用研究初探

生活中,常常會遇到身障者坐著輪椅十分不便,並非每一個樓梯旁都有無障礙坡道。本次研究主要為發想新型輪椅輪胎,利用彈簧製作輪軸避震器將輪子內部結構進行改裝,使其能夠適應高低差地形,藉由避震器受力產生壓縮變形的特性,使輪胎在碰到樓梯等障礙物時能夠產生形變,以致於輪椅乘坐者能夠用更省力且有效率的方式爬上樓梯,這次研究會針對新型輪胎在爬上樓梯時的穩定度表現以及動力傳遞上進行檢測。實驗發現新型輪胎雖然在平地行走時整體動力傳遞效率較傳統輪胎來的差,但在克服地形障礙時不論穩定度與安全性皆較傳統輪胎來的佳。並期待能夠應用在輪椅上,使身障者不必倚靠無障礙坡道即可輕易克服階梯障礙,省去尋找與移動上的麻煩。

以水換電—節能室內空間水冷降溫系統設計與效能探究

如何以最少的碳排放量,讓燜熱的室內空間迅速降溫?本研究結合熱傳理論及節能建築理念,設計以冷水循環來降低室溫的節能系統,並以空間比例1/6的模擬屋進行降溫實驗。從實驗結果發現:冷卻水管接觸面積越大、彎折越少流速越快,降溫效果越好,其中以回字型排列中央出水的冷卻水管,30分鐘內可將內部溫度降低8.5°C。同管徑的銅管與矽膠管降溫效果,因冷卻水溫高低而改變,低溫時銅管效果較佳。三種循環水桶冷卻方式中,採用冰磚冷卻即可保持冷卻水處於低溫狀態,達到良好的降溫效果,可整合綠能或河水、地下儲水系統等低碳排自然資源,進行冷卻水的降溫及更換,降低冰磚的使用量,以減少系統電能消耗,達到節能減碳的目的。

染敏奈米銀格柵-導電膜的研究

去年學姊用天然染料吸收3w鋁基板光照硝酸銀凝膠,使染料的電子躍遷至銀離子膠體上而還原出奈米銀變色膜。今年我們企圖將分散點狀的奈米銀成網狀格柵導電膜,為綠能的研發盡一點心力。 我們成功的改裝偵測光照面積受光的均勻度、縮小抽氣乾燥暗箱層架及空間、整合光照偵測系統至第三代,終於創新研發出可同步以Arduino C語言程式取代三用電錶偵測照光時導電膜的電阻變化與光敏電阻串接的1KΩ電阻電壓分壓變化。 由投影片、天然染液、硝酸銀溶液、白膠、棉紗網格至交錯纏繞難導電的金屬網等材料,成功的研發出由數MΩ降低百萬倍至10Ω左右電阻規格的奈米銀格柵導電膜,非常便宜又精細的製程,讓人人都能製備出導電膜成為可能。

以元啟發式最佳化演算法進行鐵路時刻表排點

鐵路時刻表排點至今為止仍十分仰賴人工作業,且排班優劣對於乘客服務品質有顯著影響。本研究採用元啟發式最佳化演算法及模擬器進行旅客列車鐵路時刻表排點,旨在找出一份針對旅客需求、提升旅客運輸成功率且降低旅途時間的時刻表。我們提出一種班表編碼機制,可依此產生班表草稿。我們研發的模擬器可將班表草稿轉換為合法無衝突之班表。最後,透過登山演算法及基因演算法來搜尋班表草稿,並以模擬器評估優劣,我們實現了一個自動化排班系統。我們也以不同的乘客測資針對於不同演算法進行比較,並試圖找出表現最好的演算法。實驗結果指出我們的模擬器能有效率產生無衝突時刻表,且所提出之演算法操作相較現行班表可提升運輸成功率和降低旅途時間。