全國中小學科展

第64屆--民國113年

探討盤頭絨泡黏菌作為黏菌電線(Physarum wires)的特性

本研究探討盤頭絨泡黏菌作為黏菌電線的潛力,利用自製電流檢測裝置繪製伏安特性曲線,結果顯示黏菌電線的電壓與電流高度正相關(r=0.986,p<0.01),且受到連接寬度與溫度的影響,電阻與環境溫度呈中度正相關 (r=0.642, p<0.05),顯示其為非歐姆導體。我們利用4nm的鐵粉及Fe₃O₄餵食黏菌,並記錄黏菌取食後外觀顏色的變化,結果顯示取食後的電流量提高且電阻下降。 黏菌電線具有可變電阻特性可應用於特殊環境或生物感測器,本研究設計黏菌並聯及串聯裝置,且利用溫度與電阻的特性設計溫度感測裝置,成功以黏菌藉溫度來調控LED明亮,展現其在生物感測領域的應用潛力。

探討特殊震動頻率下的倒立擺自主校正運動

本研究探討倒立擺在不同鉛直振動頻率下的擺動軌跡、擺動時間、擺動範圍及自主校正之情形。我們發現單一倒立擺是否能夠達成穩定自主校正主要受鉛直振動頻率影響,且隨著鉛直振動頻率增加,倒立擺擺動範圍會縮小。當倒立擺的長度增加時,擺達穩定所需之角頻率上升,相同頻率下的擺動範圍增加。接著再將不同長度的擺頭尾以螺絲相連組合,觀察雙擺之運動情形,我們發現在雙擺的情形下,下擺與上擺的長度會影響擺是否能穩定,在上下長度相同與下長上短時,擺在適當頻率下即可達成平衡,但在下短上長的狀況下,下擺及上擺長度則須達特定比例才可平衡。

磁鐵物理擺阻尼振盪之探究與應用

當以磁鐵做為擺錘的物理擺,並讓它在金屬面附近作週期振盪,經由實驗量測與理論擬合分析發現,本裝置會因電磁感應而在金屬面上產生渦電流,並對擺產生阻尼作用,其渦電流阻尼力是空氣阻尼力的18.4倍,進而使物理擺較快停止。進一步研究,發現渦電流阻尼作用力大小亦與金屬片材質、厚度、擺與金屬距離、磁鐵強度等因子相關,再者,因金屬的集膚效應,渦電流大小在金屬內的分布會隨著深度而呈現指數衰減;且此大小會受到金屬層間隙或是金屬面的不完整而進一步劣化。最後針對「減震」研究,經由磁鐵物理擺產生的總阻尼力以消除物體的振動能量增益達112%,較同質量的物理擺增益亦達25%,可實現較輕質量塊的物理擺式阻尼器在建築物防震領域上的有效應用。

水中的奇妙力量探秘—沃辛頓射流

我們以實驗室容易取得的重物與乒乓球模擬網路上跳水彈射手中球體的沃辛頓射流實驗。結果發現圓形的類天然海棉因為具有吸水迅速、可以平穩入水的優點,因此選擇以此為托球的載體進行實驗。依據我們的實驗結果,至少需要15公分水深才能形成完整的射流彈射出乒乓球,原則上在下落軌跡完全垂直於水面時,落下高度越高,球體彈射高度越高,實際實驗水深15公分以上時,落下高度50公分彈射高度約可達47公分,但結果受限於托球的海綿在落下高度40公分後下落軌跡不穩定,若期望更高的射流強度需要尋找更穩定下落的載體。

擺磁必得其解!探討磁擺的運動行為

本研究旨在探討磁擺的運動行為,並建立物理模型及數值模擬探討磁擺運動。我們藉由磁擺擺動軌跡之分析、回復力矩測量及空氣阻力測量實驗釐清影響磁擺運動之重要因素。由實驗及模擬結果可知,磁擺運動中磁鐵棒主要受到重力及磁力之影響,當磁擺接近平衡位置時,磁力之回復力矩達到極大值而主導磁擺運動,而在擺角較大時則由重力主導。磁擺因接近平衡位置時的回復力矩增大,使其角速度、角加速度之變化皆與物理擺明顯不同;且磁擺於通過平衡位置時與支點平面發生碰撞造成磁擺動能損失。此外,當減小擺長時由於磁力不變,使得接近平衡位置之角速度越快,能量損失也越大,擺角衰減也越快。

蟲蟲不危機-廚餘好幫手黑水虻發熱的探討

本研究利用黑水虻分解食物產生熱量的特性,對黑水虻進一步的探討。蟲卵的顏色為淡黃色,以麥麩為底將卵放在上面,在光線黑暗的地方,室溫下約2~5天孵化。幼蟲對環境溫度、光線及濕度 會有影響。幼蟲食量非常驚人,廚餘可以有效的被分解,但研究中發現幼蟲對水果皮、生空心菜、發霉麵包最上層、有些整顆水果(例如:蘋果、柑橘、柳丁等)沒有切開皆不吃。觀察黑水虻進食時溫度變化情形,發現食用澱粉類食物,飼料換肉率高達4.67,最低是水果類(芭樂)飼料換肉率2.29,進食時4到10小時會產生溫度高達41度,水果類(蘋果)放出熱量達380卡,蛋白質類放出熱量達1080卡。將其排泄物種植小白菜,生長較茂盛。

摺疊管的研究

我們將三浦摺疊運用在紙管上,發現能摺出「單位管」的條件為:8個全等平行四邊形(內角不為90度)相拼成V字形;邊長為1、內角為60度的平行四邊形拼成單位管,我們求出其最大體積約為1.5;而改變平行四邊形邊長與角度之間的關係,當單位管側面沿摺痕壓平摺疊後,能摺出3種不同樣貌。將N個相同的單位管洞連接起來,形成「N-單位管」2個相同的N-單位管共有4種拼組方式,拼組後能正面與側面壓平摺疊;我們用數個N-單位管相拼,發現能做出負重點朝上和洞朝上的負重結構,分別最少需用4個2-單位管垂直相拼和8個N-單位管水平相拼;若數個N-單位管拼組後只能側面壓平摺疊,則只需3個N-單位管水平相拼,就能做出洞朝上的負重結構。

自製幾丁聚醣化身紋身貼紙

研究生物材料的幾丁聚醣萃取及去乙醯化程度測量和製膜方法,並且製成自製幾丁聚醣紋身貼紙。以滴定法測量不同生物材料的去乙醯化程度,發現室溫下甘油加超音波再經檸檬酸萃取方法,胭脂蝦的去乙醯化程度最高81.7%。找到最環保萃取法:甘油處理後加蛋白酵素去除蛋白質,經20%檸檬酸浸泡及40%蔗糖萃取,能去除蝦殼中碳酸鈣,再以40%氫氧化鈉溶液100C加熱2小時,製成的自製幾丁聚醣去乙醯化程度88.2%和市售88%相近。以1g自製幾丁聚醣加4%醋酸40mL的成膜比例,經電解後加果膠,再浸於2%氫氧化鈉溶液後加天然色素,可得到具黏性、拉伸強度大、不產生澎潤、遇酸鹼溶液能變色且菌落數低13.67RLU的自製幾丁聚醣紋身貼紙,也可推廣至食品保鮮貼紙。

哇嗚!!原來聲波真的可以滅火耶

本研究旨在改善火災應對技術,探討聲波滅火器的設計與優化。利用COMSOL Multiphysics軟體模擬聲波的物理特性,並透過實驗驗證模擬結果。結合程式設計驅動功放單體,測試多種頻率與角度的變化,深入探討聲壓頻譜、聲強、聲功率等物理特性。研究過程中發現,Q值是影響滅火頻率的關鍵因素,70Hz為最穩定有效的頻率,聲壓、聲強、聲功率的量測數據均再次證實此為最佳滅火頻率的推論。 這一創新發現為聲波滅火器設計和優化提供了新科學依據,相較於過去的錯誤嘗試法,我們通過專業軟體模擬並實驗驗證,再次驗證了Q值在滅火頻率中的關鍵作用的推論。未來將進一步探討聲波對火焰燃燒機制的影響,結合MLX90640紅外線熱顯影技術,以科學方法深入研究。

滅菌之「手」-探討左手香對抑制細菌的影響

本項實驗的理念主要以環保的觀念來探討左手香原汁、酊劑、純露在生活上抑制細菌的效果。實驗結論如下: 一、校園中不同地點的細菌數量存在顯著差異,對照組的細菌數量最多,其次是自然教室門把手上,然後是午餐桌,而則樓梯把手是最少的。 二、左手香原汁對抑菌具有一定效果,其濃度對抑菌效果有影響,原汁濃度越高,抑菌效果越顯著。 三、左手香酊劑和左手香純露均表現出一定的抑菌效果,尤其在液態皂中加入左手香酊劑或左手香純露可以有效減少手部細菌數量。 透過這次實驗結果可以發現,天然清潔劑在抑菌方面有一定的效果。未來在使用清潔劑時,可以選擇更安全、更環保的天然清潔產品來使用。