全國中小學科展

第63屆--民國112年

以樹為師~探究兼顧發電效能及土地利用多樣性的太陽能板立體空間排列型式

發展太陽能源是世界趨勢,然而在地狹人稠的台灣,更突顯出太陽光電與人類自然之間的土地利用衝突。為了兼顧太陽能發電效能及土地利用多樣性,我們想到讓太陽能板由平舖式改為立體空間排列化身成太陽能樹,讓樹上方具有發電功能,樹下空間可供利用。 為求最佳發電效能,本研究仿生七種植物葉片排列方式,模擬三個季節太陽仰角與方位角進行光照實驗發現:影響夏至太陽能樹受光面積表現在於太陽能樹俯視視角的葉片排列分散程度;影響春分和冬至則於側視視角的葉片排列分散程度。再以太陽日照量理論值計算各樹型發電量,最後我們找出輪生樹為受光面積及發電效能最佳樹型,以提供發展能兼顧太陽能發電效能及土地利用多樣性的太陽光電方向。

大珠小珠落鋁盤——探討三重萊頓佛羅斯特效應之液珠碰撞

本實驗利用自製的鋁板加熱,觀察不同條件下(液珠體積、液珠質量、鋁板溫度),水珠的萊頓佛羅斯特效應。我們找到了水、乙醇、乙酸乙酯的萊頓佛羅斯特點,依序為200℃、125℃、120℃。並且發現水珠體積和直徑立方成正比關係、恢復係數和水珠質量成反比關係、直徑立方與溫差乘積與液珠吸收熱能成正比關係。

「互」 貴「花」開-海路應用之初探

互花米草佔據金門沿海造成生態危機,我們將滿坑滿谷的廢棄互花米草做實驗,讓互花米草再生利用。 由實驗得知,將互花米草添加於混凝土裏,測得坍度符合中度工作性,而混凝土內有綁紮互花米草三角形與正方形圍束數量越多,抗壓強度越強;且長方形下層綁紮條數越多,抗彎強度也越強,並實際鋪設校園步道堅固耐用。 現有「海路」採無筋混凝土施作,是因為鋼筋埋入潮間帶的「海路」會生鏽脹裂混凝土,今可「就地取材」將互花米草應用於「海路」,互花米草長期生長於潮間帶且不會生鏽脹裂,不僅可提升強度,還可讓廢棄互花米草變廢為寶,因此我們推廣宣導及自製金門特色文創-文鎮、杯墊、手機架等義賣做公益,達成SDGs,開創「永續金門」新局面。

分割移動瞥見矩形

此研究主要探討一個任意的矩形將其挖去設定的缺格形狀,接著將矩形分割成數個區塊,以因式分解法、逆推法、階梯狀切割技術、座標位置移動法等研究方法,透過平移、旋轉、翻轉,重組成另一個較小的矩形,探討能否有最少片解,並尋找其中與矩形長寬的關係。研究發現,十種缺格類型能運用特定分割策略,可有最少片數二片或三片解完成重組,進而將圖形逐步擴大尋找出一般化規律。此外將缺格為方型、P字型的矩形,探討階梯狀切割技術進階探究以最少切割片數,嘗試分析多種滿足a2+b2=c2的畢氏三元數組及滿足a2+b2+c2=d2的四元數組,歸納出能以不同的切割策略,用分割移動圖解方式得重組成正方形,並探討其一般化規律。

「視」不可擋

本研究旨透過「三視圖」的認識與研究,利用「貼盒法」進行其反向思考,找到多生三視圖的種類與樣式、規律性及積木塊的極值,並推廣到4×4×4的方塊,甚至n×n×n。最後由顏色、數字的介入,使三視圖產生獨一性,並加以延伸其概念,發展出「數獨積木」的玩法。 在研究「三視圖」的過程發現到前視圖與右視圖的視角交會處的個數≤(前視圖視角個數∩右視圖視角個數)就會產生多生三視圖,極值也會隨著三同圖或二同圖等,規律有所變化。過程中不僅助於培養學生觀察能力、空間想像能力、形象思維能力和幾何直觀能力,對於發展空間概念,更是有一定增強作用,希冀透過我們發明的「數獨積木」可以讓這些概念更能夠被大家廣泛接受。

華麗的轉身---紅龍果用於重金屬離子的偵測並轉換成螢光碳量子點

分別從紅龍果果肉和果皮提取甜菜紅素,可見光吸收光譜λmax=538 nm,可以與銅離子配位,從紫紅色變粉紅色。它對銅離子具有高度選擇性,偵測極限達1ppm。另外將紅龍果汁用來製備碳量子點,最佳合成條件是紅龍果汁稀釋成1/2,以180℃水熱法反應2小時,離心、透析純化,得到粒徑1-10nm的碳量子點。在紫外光-可見光吸收光譜λmax=285 nm,為碳量子點特有之共軛C=C電子躍遷。碳量子點在紫外燈的照射下會發出藍色的螢光,螢光儀測得放射光譜λmax=455 nm。以手機光譜儀結合樂高積木組成自製螢光光譜儀,發現在pH=2.5環境,稀釋倍率為1/1000時螢光表現最佳。當與銅離子接觸時,碳量子點的螢光會被淬滅。碳量子點螢光為無毒、低成本,可應用於生物、醫學之奈米材料。

頂刮刮-智能刮水車之探究

本研究主要探討如何製作出一臺智能刮水車,透過自製的車體連接刮刀,使用拉伸彈簧連接刮刀與車體,提供路面高低時的緩衝,與刮水時的拉力。經過實驗證明,使用雨刷搭配1 kg的彈簧拉力可以將積水刮開621公分,透過自製積水感測器,可以感測車輛是否通過積水,感測器安裝在刮刀前方,能有效的了解刮刀內是否有還有積水,搭配刮刀升降系統,在有積水時放下刮刀,在車輛行駛時刮刀上升,將刮刀摩擦力影響降到最小。透過電子羅盤定位籃球場的方位角度,自動修正刮水車前進偏移的問題,搭配量測車輛速率後,配合換算距離的方式,讓刮水車順利實現在籃球場上來回刮水的功能。

荷花葉菊花影-側面疏水性水紋與光學折射現象探討

本研究主要探討疏水性較大植物葉片在水中形成的水紋與葉片影子之關聯,探討不同植物、水深高低、光線方位與角度、水紋類型、水紋對光線偏移角度及水紋曲率半徑與影子變化之關聯。透過各種實驗,我們發現能明顯觀察出水紋的植物為主要影響影子變化的因素,因此我們近一步觀察了水生植物的水紋,並發現疏水性為此研究中的關鍵原理。當疏水性植物具有不規則的割痕時,由兩方葉片產生的疏水性水紋會相互交疊,使水紋更加明顯且邊際線較長,進而影響光線折射角度,影子內凹情形最為明顯。我們也計算了水生植物水紋的曲率半徑,但計算結果與實際水紋誤差較大,因此我們推論水紋可能為非線性疊加,導致計算結果與實際水紋不符。

探討地衣內酵母菌的存在及與內生真菌的互動關係

本研究旨在探討地衣內酵母菌的存在及與內生真菌的互動關係。首先將採集地衣樣本分類並進行酵母菌培養,從柵欄石蕊(Cladonia parasitica)培養出酵母菌並以其進行研究。我們發現酵母菌在Cladonia parasitica中分布於其主要葉狀體(Primary thallus),並由鑑種得知其為釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。我們亦培養柵欄石蕊等地衣的內生真菌(endolichenic fungi)並鑑種得知柵欄石蕊有Trichoderma afroharzianum、Trichoderma pubescens、Trichoderma simmonsii、Trichoderma reesei等木黴屬內生真菌。亦透過對峙實驗得知釀酒酵母在攝氏10~30度間,無論有無其他菌源下,均能促進Trichoderma simmonsii成長並抑制Trichoderma afroharzianum及Trichoderma pubescens,推測地衣中的酵母菌具有平衡內生真菌,並具有發展為生物農藥的潛力。

重建教室的半壁江山─磁性漆的應用特性與環保自製技術探究

本研究源於改造教室牆壁汙損問題,因而發展出對磁性漆產品的性質與應用技術探究,並進一步運用廢棄暖暖包粉末的磁感性進行環保自製技術與效能探究。研究中以自製塗漆裝置和磁吸力測試裝置來瞭解磁性漆效能。 結果發現:磁性漆不具磁性,而是運用其磁感性和磁鐵產生磁吸效果,成份極可能是400系列不鏽鋼,並以塗在粗糙材質有較佳附著性也可透過增加塗漆厚度、選用磁極面積大的磁鐵來增加磁吸力。用畢後的暖暖包鏽粉內仍包覆具磁感性的鐵,且磁感性隨時間漸減,若用磁漆粉三倍的暖包粉量混合乳膠漆,磁吸效果和市售磁性漆相近。最後,根據研究啟發實際改造教室牆壁和製作益智桌遊,創造嶄新的教室學習空間,並發現其作為磁力線觀察教具的優勢。