全國中小學科展

第64屆--民國113年

「非」天「頓」地-非牛頓流體阻尼的減震效果與建物即時監測研究

本研究探討非牛頓流體阻尼位於地上不同樓層及地下室的減震效果。我們以樂高動力積木搭配伺服馬達及程式控制器自製地震模擬器,體積較小,且能透過調整程式的功率模擬不同震度的S波,進而討論不同震度在相同變因中的差異。此外,我們為建築物設計地下室結構,並將非牛頓流體阻尼放入地下室外牆,觀察減震效果,實驗得知,地下室外牆放入阻尼皆較填入輕黏土更減震。同時,我們也製作不同長細比及不同建材的建築,分析數據後得出最減震、最具安全性的結構比例和建築材料。並比較建築上不同重心高度及搖晃時間長短對非牛頓流體減震效果的影響。最後,利用Arduino超聲波測距模組進行建築傾斜觀測,提高建築各面向的安全性。

膝型渦蛛隱帶性質與功能探討

本篇科展為探討膝型渦蛛Zosis geniculata的習性及其隱帶性質與功能。我們發現膝型渦蛛偏好在黑暗環境織網,並在習性調查中,發現它會在夜間拆網、織網,清晨重新織隱帶,因此我們認為其屬全日型蜘蛛。主要獵物為鞘翅目、鱗翅目及雙翅目中的小型昆蟲。 我們將隱帶的形狀分為螺旋型、直線型、圓盤狀、薄膜狀四種,不符上述分類的則歸為不規則型。此外,發現隱帶絲線分佈方式可分成兩種:平均散佈型及簇型。我們還發現隱帶絲線具有顏色,最常出現藍、綠、粉紅等色澤。透過實驗,我們證明了即使在同樣的環境條件下,膝型渦蛛仍會織出不同形狀的隱帶;而成長階段不會影響其隱帶的形狀及顏色;織隱帶的能力也不受遺傳限制。

「爆粒」美學—以AI探討爆米花脆感測量與提升之研究

為尋找兼具「酥脆」與「軟韌」多層次口感的爆米花製作方法,我們自製了標準化脆裂度測試儀、觀察碎片飛行方向與距離的靶紙,並使用人工智慧技術與視覺化統計方法,來研製最佳的烹飪方法。實驗中歸納發現以450 度作為烹飪溫度時,若一口咬下爆米花所產生的碎片在口中飛行距離約1.7cm,碎片截面積大致是0.65 cm2、且碎片數量為八片左右,則可獲得較酥脆的口感。反之,若一口咬下的碎片大於原始面積的25%且在口中飛行約1.2cm,則能獲得較軟韌的口感。而在這烹飪手法下放置三分鐘再食用,則更能獲得層次豐富、酥脆軟韌交會的口感。實驗中我們還發現了能將「脆」與「韌」的統計差異性視覺化的「體積飛行球」工具,它能幫助我們直接「觀察」到何謂好吃的爆米花!

不「鰻」你了~魚骨成金

本研究採用創新設計的「水代法」處理養殖鰻魚加工後廢棄魚骨,成功解決過往鰻魚骨含油量高,無法利用而丟棄的環保問題,使生物資源得到充分利用。透過「低溫烘乾前處理」製成的鰻魚骨粉香氣與口感俱佳,適合作為食品添加物。 水代法是將鰻魚骨在90℃水溫、粉水比1:3狀態,藉由攪拌、壓榨去油,不僅保留營養成分(蛋白質、鈣質、磷質),同時降低高達90%的脂肪含量。水代產生的處理液可進一步開發為胺基酸萃取物和鰻魚油,創造多元的商業價值。「食鹽水浸泡處理」取代較不環保的「強鹼處理」製作鰻骨鈣粉,可有效減少環境負擔。本研究製程簡便且低耗能、低耗水,可降低成本,顯著提升產業競爭力和環境效益。

正多邊形平行封閉鍊接結構之研究

本研究探討n個邊長分別為1、2、…、n的正方形鍊接成平行封閉結構的存在性與方法透過「 任意值矩形頂點配對法」可成功鍊接;任意數列的正方形組也可成功,最快速的是「最大值矩形頂點配對法」。 推廣至正多邊形正偶邊形透過「對角線重合法」,正奇邊形透過「對角線重合法」搭配「對角線與邊重合法」,每邊可互相平行;將n個正多邊形放置在對角線連線成的平行四邊形,利用n值特性「4k、4k+1、4k+2、4k+3」分類頂點位置結合「單向複雜形平行結構」邊長和的差為1或2可透過對角線「中心」或「端點」出發的「最大值平行四邊形頂點配對法」鍊接 。 最後得到最大及最小完全覆蓋矩形鍊接法,並推得鍊接正方形內部封閉面積公式。

香蕉皮的綠色守護者~以香蕉皮製作環保抑菌膜

台灣素有”香蕉王國”的美譽,香蕉的產量很高,相對地也產生大量沒有使用價值的果皮。我們從文獻中得知被認為没有價值的香蕉皮,其實富含有許多化學物質,其中單寧酸除了具有抑制細菌生長的功能外,也能作為抗氧化劑,甚至有幫助人體細胞對抗新冠病毒的功效。 本研究以香蕉皮來萃取出單寧酸再烘乾製作成抑菌膜,結果顯示未成熟香蕉皮中含有的單寧酸高達5.59 mM,並在大腸桿菌抑菌試驗中呈現出抑菌圈,製作成膠膜後顯現出較高的抗拉伸試驗為成熟的香蕉皮膠膜,抗拉伸力為136.31g。本研究成果可以為改善廢物處理方式、減少碳足跡、提高社會衛生水準等方面,實踐環保及社會責任作出積極的努力。這種創新的環保技術有助於人們更加關注永續發展,為地球帶來更美好的未來。

逆流而上--馬拉高尼效應之探討與應用

馬拉高尼效應是流體力學中常見的現象,由於表面張力梯度力,使得不同種類或是不同溫度的液體間產生相對位移,從表面張力小的往表面張力大的方向移動。本研究想藉由此微小的表面張力梯度力作為仿水黽的小型水上機器人移動的動力來源。研究過程中以tinkercad軟體設計模型,盡可能減輕機體重量並利用3D列印技術列印機器人本體。再藉由滴出界面活性劑並控制滴出方向以產生特定方向的馬拉高尼流,作為整體的動力來源。研究過程中探討界面活性劑濃度與模型移動速度以及表面張力梯度力的大小之關聯,和模型管徑與模型運動型態的關聯。

懸臂樑的聲學震盪與力學震盪—鐵尺的探究與實作

去年我們在全國物理探究實作競賽被淘汰,主題是鐵尺的磁機械振盪器,賽後我們決定試著把它研究清楚。最初我們以為鐵尺的振盪行為類似繩上的駐波,但後來發現,鐵尺其實表現出懸臂樑的運動特徵。懸臂樑在建築學、結構和材料力學中很重要,在尖端科學的 AFM、STM、MEMS中也有應用。我們一開始使用 Tracker、Phyphox App、以及超音波感測器進行實驗,最終我們使用手機APP偵測鐵尺的聲學振盪,以及線圈產生感應電流,透過示波器偵測鐵尺運動的力學振盪,這兩種是我們創新的量測方式。鐵尺振動須用懸臂樑的力學解釋,理論包含 sin與sinh 函數。我們在聲學、力學振盪的實驗結果是互相驗證的,並與懸臂樑理論預期的頻譜一致,驗證了鐵尺的振盪為懸臂樑的運動形式。

彈止之間~流體對水瓶彈跳高度的影響

本研究主要探討水瓶自高處落下時,瓶內流體如何影響水瓶彈跳,我們自製跳台和彈跳瓶進行實驗,並改進測量精度,找到水瓶落地造成水彈起、瓶靜止的變因條件。研究結果如下:一、瓶內流體的流動,依過程共分為整體、分離、轉換、恢復等四個時期。二、流體進入轉換期,會將水瓶位能轉換成流體動能,主要跟碰撞時的液面曲度、水量、和液體黏度有關。三、旋轉水瓶會改變水面曲度,讓水在碰撞時產生更強的水柱。四、100g水瓶轉速大於臨界值300RPM時,彈跳次數只剩1次,水瓶落地接近完全非彈性碰撞。五、加入和空瓶等重的水時,質心高度最低,影響彈跳效果越明顯。六、液體黏度會影響瓶子彈跳,黏度較高,甘油瓶彈跳次數可達到5次,黏度較低只有2次。

「餘」霞成綺----利用組合數探討 Stirling Number of the Second Kind Triangle Fractal 與質數同餘性質

本研究旨在利用組合數來分析第二類斯特靈數在模質數下的性質。研究分為五階段:第一階段我們參考O-Yeat Chan等人的論文,並改良了其證明過程,得到一個同餘組合數。第二階段利用第一階段的奇偶性定理發現(3n n)與𝑆(2𝑛,𝑛)同餘mod2並改良論文證明,使得證明更易推廣。第三階段我們更推廣到更一般的結論:滿足𝑆(𝑝𝑛, 𝑛)≡(p'n n)(𝑚𝑜𝑑2)時,p與p'是線性關係。第四階段與第五階段繪製熱圖時,我們發現圖中存在謝爾賓斯基三角形,對此進行了研究,並成功證明斯特靈數三角形在模2與模3下具有碎形結構與謝爾賓斯基三角形,這是文獻中都沒有探討過的。