全國中小學科展

第64屆--民國113年

「流」「擺」能生—探究穩定水流中單擺組合擺盪機制與發電應用評估

探究水流中單擺擺盪變因的影響,確認擺盪的物理機制,用於發電裝置優化調控。單擺實驗以動能轉換參數f*X評估效能高低,於實驗中發現阻礙物兩側流速差造成偏移力並產生渦流,若渦流結構完整,說明流速差大,偏移力大。擺長越長,渦流頻率(f)降低且擺幅增大;擺錘直徑增加使f降低、擺幅及渦流直徑增大。流速10cm/s下,最優單擺-擺錘直徑5cm、擺長20.5cm、33.7g。加阻流柱(擺)可降低f增加擺幅;水流速與共振擺長有量化關係。擺盪發電組的圓筒密度接近水時有較佳的發電效益,於不同流速下,改變擺長可調控發電組之震盪頻率使之共振,增加擋板可增加發電組擺幅使發電效能提升。

外掃好幫手EasyDump垃圾籃~ 發展高效率的外掃垃圾分類裝置

「EasyDump垃圾籃」是協助國小學童打掃校園的好幫手。觀察學校外掃區的打掃情況,什麼時候會出現垃圾袋破掉的情況呢?答案是將垃圾袋拖出垃圾籃和將垃圾袋送上垃圾車的時候。因此,利用市售的三種升降平台,設計可以讓垃圾籃自動升降的功能。再強化升降平台的載重力,讓EasyDump垃圾籃可以承受更多的重量。接著利用Arduino及伺服馬達製作分離沙子和樹葉的抖沙器,減少沙子進入垃圾袋,讓同學可以更Easy取出垃圾袋。最後整合改良的垃圾籃、抖沙器、升降平台,讓EasyDump垃圾籃可以升到垃圾車車斗的高度,就能方便將裝滿垃圾的垃圾袋從垃圾籃中移動到垃圾車的車斗中。

以電漿沉積氟化聚矽氮烷優化不鏽鋼材表面性質及其應用性之研究

不鏽鋼材(SS)表面改質與優化可提升抗蝕性,故極具應用價值,目前多使用昂貴合金或低成本的塗層方法。電漿沉積為先進塗層技術,其所發展的聚矽氮烷薄膜可提升抗蝕性,但表面疏水性限制其應用範圍。本研究以CF4電漿改質不鏽鋼材表面的聚矽氮烷,以調控表面之親、疏水性。浸泡模擬體液發現最佳化製程條件為:流率10 sccm、功率30 W、工作壓力80 mTorr之CF4電漿處理ppHMDSZ聚矽氮烷1分鐘,將薄膜改質為親水性並維持94%抗蝕性。分別在體液與海水環境,改質後薄膜仍具抗蝕性與親、疏水穩定性,且表面可抗蛋白質沾黏。本研究結果可發展為風機水下結構之抗蝕材料,此親水表面於金屬醫材應用亦具突破。

機率的陷阱——伯特蘭悖論

1889年,約瑟.伯特蘭(Joseph Bertrand)展示了以下問題:「圓內隨機一弦大於圓內接正三角形邊長機率為何?」並提出三種解法,而每一種解法都分別得到不同的答案。我們發現其他正多邊形也有類似情況,歸納出其中的規律,並且將伯特蘭的解法推廣為第四種,這種解法可以在範圍內任意產生無限多種機率。接著推廣到立體空間中探討,也同樣發生悖論,這些不一致的情況蓋提議敘述不清所致。

染料敏化太陽能電池性質研究

本實驗我們主要使用LED燈做為光源來對比接近太陽光波長的白熾燈,並使用碘液對比I- /I3- 電解液。我們發現當二氧化鈦膜燒結溫度在300~450度間以及當二氧化鈦膜面積為5cm2、浸泡於染料時間20分鐘時效果為最好,便在後續變因下維持這些因素。此外,我們也自行萃取出花青素、葉綠素、兒茶素三種天然染料來做比較,並透過太陽光能轉換效率公式計算出電池效率嘗試找尋效果最好的天然植物,後續也以此為根據嘗試了混和不同染料。同時,我們藉由觀測LED燈與近似太陽光波長的白熾燈照射下的結果來進行電池性質的比較。

「吸」以「灰」常-新型板擦之研究

本研究將傳統板擦與板擦機進行結合,製作出能及時清理布面的吸塵板擦。我們的實驗測試了板擦各零件結構與材料的效果、自製吸塵板擦使用時空氣品質、板擦布上粉筆灰滯留量、噪音分貝數,而實驗結果證實自製吸塵板擦能夠有效地解決了使用傳統板擦時無法及時清理、粉塵飄散,傳統板擦機使用時噪音過大等問題。本研究不僅努力為師生創造出優質的教學環境,也使板擦能被及時清潔、提高了板擦的清潔效率以降低了粉塵在空中對師生的影響。未來我們希望能夠進一步優化,提高實用性、擦拭效率,並成功在校園中普及化。

利用Verapamil引發斑馬魚心衰竭模式並探討臨床心衰竭用藥Dapagliflozin和Valsartan之成效與機制

近年來心臟疾病死亡率不斷上升,其中心衰竭是一種常見且高死亡率、高再住院率的心臟疾病,故如何治療並延長患者壽命是相當重要的問題。本研究利用 Verapamil 建立斑馬魚心衰竭模型,並作為疾病模式探討糖尿病藥物 Dapagliflozin 對心衰竭的作用。研究結果顯示,經 Verapamil前處理 4 小時再加入 Dapagliflozin 共處理 20 小時後發現,可以改善心衰竭斑馬魚心室肥大、心輸出量下降和水腫,但功能為滲透壓調節的離子細胞其密度無明顯變化。而心衰竭斑馬魚體內nppa、nppb、gata4、vmhc 這四種在心臟壓力上升時,基因表現量會上升的基因,經 Dapagliflozin處理後無明顯下降。綜上所述,我們推測 Dapagliflozin 可能作用於心臟及腎臟,透過改善心腎功能,排出身體多餘水分,使體液與電解質平衡,改善水腫的同時進而達到改善心衰竭的作用。

椬梧鱗片彩衣的探究

椬梧表面有銀白色鱗片,我們想了解鱗片對椬梧有什麼幫助或者是否更能適應環境?我們進行了一系列對鱗片的探討,首先想了解其他有類金屬光澤的植物被光照時,他們之間有什麼不一樣?利用RGB色光照射在葉片出現吸光與反射的現象。因此我們進一步設計鱗片相關實驗,包含了椬梧幼葉與成葉的鱗片否長得一樣、鱗片會不會影響葉片總氣孔數以及鱗片對椬梧生理作用是否有更進一步的幫助?因此加入了酸鹼測試、鱗片是否可以防水或保水、鱗片的結構上是否有助於滯塵或吸塵等實驗設計來查驗椬梧鱗片的功能。在設計實驗下,我們仍然對椬梧鱗片的結構好奇,為什麼有銀白色是否也與鳳蝶奈米結構相似,在雷射筆照射下出現干涉條紋令我們明瞭由於繞射產生銀白色。

大衍萬象之謎—正多邊形頂點交換圖形關係

本研究主要探討正多邊形的換點問題。 在平面上給定一正𝑛邊形,在不重複經過任意點的情況下,一筆畫經過所有點並回到起始點形成圖𝐴。透過相同做法得到圖𝐵,最後將圖𝐴透過有限次的換點得到圖𝐵,找出換點次數最少的路徑。 本研究中證明了所有符合規則的圖形都能透過有限次換點得到,也探討了換點在鄰接矩陣上的意義,並透過排列矩陣定義出換點運算以及圖形的旋轉及翻轉運算矩陣,接著找出了圖𝐴換點到圖𝐵有捷徑步數的充要條件,並解決過程中使用到的基本運算。然後得出從正𝑛邊形換點路徑的唯一性以及尋找方法求出圖形的層數,並得出圖𝐴到圖𝐵最短路徑步數 ≤𝑖𝑚𝑎𝑥(𝑛),最後求出了 正𝑛邊形中不同構的𝑛點圖形個數。

截柱錐體

此研究探討在正角柱及正角錐上一刀斬後分割成二部份而形成截面時,觀察其所形成的截面變化,並利用Geogebra、Desmos等電腦軟體模擬繪製,藉此來計算正角柱及正角錐分割成的截面周長與面積,進而推導出其公式及觀察截面大小之變化,以及其與側稜線長的關係。