全國中小學科展

第63屆--民國112年

看美麗日「RAW」,終究得---「閃」一「邊」趣

在日出或日落出現在地平線或海平面,僅一、二秒鐘的綠色閃光非常難見到,因為無意間拍攝到,引發我們的探索興趣。研究先拍攝日出與大量日落RAW檔格式照片,以影像處理軟體觀看還發現到綠邊、藍邊、雲頂閃光等日出光學現象;為了解發生原因透過四種實驗方法驗證綠色閃光發生的機制,結果在日光下以三稜鏡與黃色及白色圓形紙片,即可重現綠色閃光、綠邊與藍邊等景象;以影像處理軟體做連續截圖,更可了解綠色閃光發生過程;最後再比對出現以上四種太陽色光後三日的氣象資料,發現降水時數幾乎為零。因此日出日落時,太陽出現四種色光景象以做為判別未來天氣變化的應用。我們甚至在東部或西部海邊觀光景點,以能拍到綠閃這難得的景象,促進觀光。

鴨行無阻-鴨子行進陣列與其省力情形之探究

本研究透過水池、橡皮鴨與伺服馬達,模擬鴨子在水面上游動的情況,藉由馬達回傳的電功率值,計算鴨子在游動時的阻力,希望找到鴨子在何種情況下最省力。透過改變鴨子的排列方式、大小、速度等變因,嘗試找出這些變因與其游動時阻力的關聯,並引入參考文獻中省力係數以描述省力的程度、用波長、水深、波速的函數關係來計算波長、並嘗試描繪尾波,透過這些以協助結果呈現並計算出難以測量的部分。最後會透過繪圖的方式來討論鴨子與水波的關聯以解釋阻力的變化,再總結出鴨子在何種排列方式、大小能夠達到最省力的狀態,完成本研究的主要目標。

魚道魚到--魚道對大屯溪水生動物變動探究

本研究進行鄉野調查,以簡易水質測檢儀檢測水質,改良蝦籠、手撈網、攔截網、誘餌、拍照觀察進行水生動物分布調查,並設置自製改良舟通魚道進行研究。依據鄉野調查結果,大屯溪水質變差,魚蝦數量減少;水質檢測結果,大屯溪流域在大屯橋以下呈輕度汙染,其他區域則無汙染;大屯溪共設置16處高度100~450cm的攔水壩,其中有12處設有魚道。依據水土保持設施常見通道分類有8種魚道,設置魚道可降低洄游障礙,部分攔水壩落差太高,未設置魚道,形成水生動物洄游斷點,尤其第4攔水壩以下與以上區域,魚種減少6種、總數減少75%、生物多樣性降低0.42、豐富度降低1.38;設置自製改良舟通式魚道發現,短時間上下游水生動物變化不大,因此須長時間設置。

運用所學打造節能居家

台灣是個四面環海國家,土地面積為3.6萬平方公里,人口約2千3百萬人,2019 年人口成長率為 0.2%,根據內政部資料得知,人口老化指數,由107年1月106.35,到108年2月113.93%,人口結構觀察,高齡者(65歲以上)比率逐年上升,台灣老人占總人口12.83%,逼近 14%高齡社會。 而老年人的食、衣、住、行,更需我們多花一份心思去關心,其中尤以「行」最為我們關切,根據內政部資料統計及新聞報導,台灣失智人口在 2017年底已超過27萬人,65歲以上老人每13名就有一名失智,衛福部的調查顯示表示,2031 年失智人口將增加到 46 萬人,2061 年將超過85萬人,等於未 來 40年內,台灣平均每40分鐘新增1名患者,每天增加38人罹病,此問題乃是我們關切之重要因素。

洞察號探索-火星非地震訊號分析

洞察號自2018年登陸火星,累積了大量的震動訊號也高頻率採集持續性的天氣資料。本研究以分析非火星內部地震引發的震動訊號為主,找出天氣變化對非地震訊號的影響,或其他可能引發非地震訊號的因素。以Python進行資料分析後顯示無論白天或黑夜,2~7 Hz頻率範圍會出現數個峰值,比對風逐時變化得知除2.4 Hz的訊號外,大多數是地表以上的風引起登陸器或太陽能面板搖晃導致。在季節變化方面,SEIS於火星夏季夜晚記錄到的震動訊號相對白天少,應該是夏季白天受熱對流旺盛使擾動多,導致非地震訊號頻率頻繁。而火星冬季受沙塵影響,夜晚的非地震訊號與白天差不多,甚至超越白天,同樣在2~7 Hz出現數個峰值,但強度不同。

探究神奇四連桿與其機構型態之關係

本研究先根據功能原理與能量守恆定律,推算出四連桿機構中省力與費力的裝置,發現影響因素有桿長及搖桿角度,接著聚焦於桿長,尋找不同型態的長度範圍。以GGB為主,扣條為輔作為研究設備,將所有情況分為四桿相同、三桿相同及兩桿相同,運用基本原理找出形成機構的條件,再利用葛式判別法則推論構成葛氏機構與三搖桿時不等式的分界點,以及葛氏機構對應的型態,並將結論以樹狀圖呈現。 最後,在模擬投石器的實驗中,觀察到在特定從動桿長度下,彈簧拉力越大時,球的拋力大小與前一項的差距會有「遞減」、「持平」或「遞增」的現象,原因是主動桿做等角度圓周運動時,從動桿是做加速度運動,且這個現象可以在實驗中紀錄的球拋出之水平距離中看出來。

「弦」來無事測測看

網路上流傳一段影片,影片中的鴿子不用拍動翅膀就可以飛,「頻率」是造成這現象的主要原因,只要攝影機拍攝的影格率和某個東西週期性運動的頻率相似,就可看到類似時間暫停的現象,稱之為特定運動頻率。自然課學到弦的振動影響聲音的高低,但弦振動太快看不清楚,是否也可以用時間暫停的原理,來看清楚弦的振動? 本實驗使用了micro-bit和紅外線感測器來測量圓盤的轉速,圓盤上的開孔可讓光線閃爍,光線照在金屬琴弦上,閃爍的頻率如果和弦振動的頻率一致,就能清楚的看到弦的振動波形。

詭譎多變的離岸流

本研究是探討詭譎多變的離岸流,透過文獻蒐集來理解離岸流的種類與成因,做為現場觀察的對照依據,經實地觀察詢問居民耆老讓我們發現海浪沖擊到海灘時會遇到阻礙物而潰散,大量海水必須回到海裡,因地形因素和後續海浪推擠會沿著與沙灘平行的方向移動~沿岸流,最後匯集成一道或數道的強大水流退回海中,若不去注意其現象,就會增加潛在危險。 為了更進一步了解,離岸流造成原因是否如我們晤談與文獻中所獲知的,我們透過設計模擬不同海岸地形架構物,觀察及驗證不同海岸地形形成的狀態與強弱,預測離岸流發生的路徑及可能行,結果我們觀察到模擬沙灘、沙洲地形所產生的離岸流現象特別明顯,因此前往這樣的海邊潛在危險,要非常注意自身的安全。

以大腸直腸癌預測為例進行缺失值處理方式的探討與實驗

機器學習和精準醫療是目前醫學界的熱門話題。機器學習在醫療領域的應用越來越普及,可幫助臨床更快速及精準診斷疾病,並提供個人化治療方案。例如,通過訓練大量醫學影像數據,建立深度學習模型,可用於腫瘤的自動辨識與分類。通過醫療資料大數據分析,可以為臨床提供及時的疾病預測和預防建議。然而,如何讓臨床資料結合機器學習建立模型預測,是很重要的議題。本研究使用臺北醫學大學數據處蒐集衛生福利部雙和醫院的大腸直腸癌與大腸炎病患三年的臨床資料,結合機器學習進行模型的建立與預測。經處理數據的缺失值、特徵的排序與選取及向前特徵選取法來訓練與驗證模型,找出分辨大腸直腸癌和大腸炎的最佳檢驗項目組合及效能,以預測大腸直腸癌。

光學式震動裝置

本研究開發的多軸向光學式震動測量裝置,結合物聯網技術達到監測震動訊號並即時警示的目的,首先確認慣性單擺的光柵繞射光學特性能有效測量出震動訊號,並可在連續震動狀態下,有效且持續記錄震動訊號。其次在震動訊號分析上,以OBSPY程式輸出訊號頻譜圖,並自行開發的Python程式利用增加執行緒的模式,提升影像紀錄取樣率達到符合資料分析所需之奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)條件,並進行運算與濾波將數據有效運用。更透過3D列印技術製作出可記錄平面震動與垂直震動訊號的微小化多軸測量裝置,將監測與紀錄震動訊號之數據,透過物聯網傳輸,儲存於雲端資料庫內,同時可即時偵測震動訊號是否超過警示數值,並透過line notify將警示訊息發送出去,達到即時監測與警報的目的。