全國中小學科展

第65屆--民國114年

力量放大術—帕斯卡液壓裝置的研究與應用

本研究以協助弱勢的特教班學生為目標,特教生常因肌肉發育不良導致施力困難,生活自理能力受限,在缺乏訓練輔具的情況下只能靠夾夾子、握筆、剪紙等動作來訓練肌肉,且效果有限。我們經資料整理與實訪評估後設計出一組液壓機,透過改變針筒容量及數量、使用不同液體等科學實驗檢測,製作出簡易好操作的裝置,讓特教生們進行慣用手指肌肉的訓練,以PASCO力量感測器測量並分析訓練後的手指力量以及施力穩定度的變化,發現使用本裝置訓練能達到顯著提升手指肌力的顯著效果,長期使用能增加肌力與肌耐力。本裝置能以不同的組裝方式、元件、改變施力位置來改裝,製造不同形式的訓練輔具,並兼具多功能用途、價格低廉、取材與製作方便等發展優勢。

四方連塊拼圖問題之研究

此研究探討「在𝑛×𝑛的正方形中L型、T型和O型任兩種四方連塊」及「在𝑚×𝑛的長方形中LO、TO 兩種四方連塊」的拼圖可行性規律。我們發現拼片組合的可能性與正方形邊長有明顯關聯,透過黑白格排列法找出可行的解與排法,並分析不同邊長下的規律與極值,做出分類。此外,研究問題延伸至不同邊長分類下的𝑚×𝑛長方形,我們找到「最小圖形」,如由2個O或2個L組成的𝐿𝑂2×4。接著,定義「中圖形」以分析LO與TO拼片組合的數量規律,如由4個L和一個𝐿𝑂2×4組成的𝐿𝑂3×8。透過將長方形切割成以上圖形、分析性質、找出一般化的公式,進而推導出矩形中LO與TO數量的極值規律。

方圓之間—魔錶3探秘

本研究找出魯比克鐘最少步數解法,發現立柱影響連動範圍、鐘面組合數和同步轉解法: 一、立柱具有唯一性:用於考慮鐘面重疊範圍時,2<=n<=8用鐘面集合的交、差集計算;以阿達瑪矩陣積得到全部鐘面連動範圍。 二、對稱性是決定影響唯一圖的關鍵,考慮「雙重對稱」特性,得到5種唯一立柱組合。 三、組合數與起始狀態數:無對稱軸時,鐘面有n個的組合,組合數為4n個,起始狀態數有4n-1。有1個對稱軸,對稱軸上有a個鐘,共有n個鐘的鐘面組合,組合數為(4n+2n+a)/2個,起始狀態數有(4n+2n+a)/2-1個。 四、鐘面同步轉在考慮立柱唯一性與鐘面對稱性,彼此獨立的鐘面僅有14個,同一指向0的最少步數一定是7步。

「解」不動了--當電解水遇到絆腳石

本研究探討在電解水過程中,添加非電解質(如蔗糖與甘油)對離子移動速率的影響。實驗以硫酸鈣粉筆為水溶液載體,搭配廣用指示劑觀察電極附近的顏色移動,分析離子的遷移行為。結果顯示,糖與甘油皆使離子遷移速率隨濃度上升而下降,原因包括溶液黏滯性提升、水合作用與分子的碰撞阻擋,使得離子移動速率變慢。 本研究並進一步比較甘油、葡萄糖與蔗糖三種非電解質的影響效果,結果顯示:儘管甘油溶液的電阻高於葡萄糖,但離子在甘油中移動速率更快,推測與甘油較小的分子結構、較弱的水合作用,以及特殊的潤滑性有關。此結果挑戰「電阻越大,離子移動越慢」的直覺印象。

旋轉多邊形

我們先定義「旋轉多邊形」,再透過拼組六形積木分析出「旋轉多邊形」的性質為1.偶數個能密鋪的凸多邊形;2.所有頂點相連的2內角和為720°/K,K為拼組數量;3.若拼組數量是4個,則會組成平行四邊形的洞;若拼組數量是6個以上,則會組成等距放射狀的洞。若僅用六形積木組成「旋轉多邊形」,則能組成30種不同的樣貌。若將相同的「旋轉多邊形」彼此相拼,則只有四種結構才能無限擴拼,其中以4個正方形和6個正三角形這2種所組成的「旋轉多邊形」為拉脹結構,當轉動到有最大洞時,其長、寬會等比例分別放大1.5 倍和 √3倍。

綠意重構:葉綠素鐵對降解亞甲藍的友好新策略

現今有機污染物遍布,在處理有機物的文獻中,FeIII-TAML催化劑配製不易且Fenton反應需在酸性環境下才有較佳的效果。有鑒於此,本研究以葉綠素鐵(將葉綠素a中心的鎂離子取代為鐵離子)取代FeIII-TAML作為催化劑,探討是否能與之有相近的降解效果。本研究探討葉綠素a在不同環境下的穩定性,並評估葉綠素鐵對降解亞甲藍的影響。結果顯示,葉綠素a在暗室中較易保存。50ppm亞甲藍液3mL在反應條件為1000ppm雙氧水3mL、pH=10.3緩衝溶液8mL中,加入葉綠素鐵1mL,9小時後,去除率高達96.6%。本研究證實葉綠素鐵作為降解有機染料之催化劑的可行性,並提供處理鹼性廢水的新策略。

探討海漂種實結構與傳播機制之關係-以銀葉樹為例

海漂種實是一群能靠海流傳播後代的植物繁殖體,追蹤其跨洋散播途徑與族群分佈狀況常可反應生態問題。本研究便想以銀葉樹為例,釐清海漂體結構如何適應遠距傳播。結果發現,銀葉樹能以果實作為海漂體的關鍵有: :(1)整體密度小於海水; ;(2)中果皮有許多儲氣空隙可維持浮力; ;(3)種子座落位置與中果皮纖維局部吸水性則有利於穩定浮 心,使果實於海流中多能以正向姿態漂浮並快速前行; ;(4)果實從外到內有多層疏水性構造,有利於長期海漂期間抵抗海水滲入以維持種子活性。相較短期海漂後就腐爛失活的大葉山欖種實而言,銀葉樹果實對海水具抗性又能善用海流動力確實更適應跨洋性遠距傳播,值得作為輔助評估氣候變遷對於海漂植物影響與保育的指標物種。

以線蟲模式探討代糖調控宿主與腸道菌相交互作用機制

代糖是一種低熱量的甜味替代品,雖在過去被認為對人體無害,近年研究卻發現代糖會引起腸道菌相失衡,有害宿主健康,但其機制仍不明。秀麗隱桿線蟲的腸道上皮細胞與人類相似,且腸道共生菌易觀察,適合探討宿主與腸道菌相間的交互作用。本研究以代糖乙醯磺胺酸鉀(acesulfame potassium, AceK)餵食線蟲,發現AceK在腸道共生菌滅活狀況下,能夠藉由減少腸道粒線體自噬作用、上調抗氧化基因sod-3並增加線蟲體內的H2O2濃度,使線蟲壽命延長;但在腸道共生菌的交互作用下,上述效果皆減弱,AceK反倒促使線蟲腸道菌量增加,因此干擾宿主利用H2O2控制腸道菌量的能力,導致線蟲提早死亡。本研究發現AceK會使腸道菌量失衡,並進一步探討過量的腸道共生菌與宿主競爭AceK並影響宿主生理功能之機制。

探討親水性顆粒材料對仿生捕霧集水元件之效率影響及其製備參數控制

本研究仿照沐霧甲蟲的異質濕潤表面結構,將含有親、疏水顆粒(SiO2 與PTFE)的溶液塗佈於可熱縮之聚苯乙烯基材上,進行熱處理後即可獲得具捕霧集水功能之元件。接著,再改變溶液中親疏水顆粒重量比、總固含量、親水顆粒粒徑及親水性顆粒種類,試圖找出最佳的製備參數。 結果顯示,當親疏水顆粒重量比1:300、總固含量20wt%、SiO2顆粒粒徑10μm 時捕霧集水效率最佳,可達666.88mg/h‧cm²。此外,將本實驗中捕霧集水效率最佳之元件與陶瓷、高分子和金屬材料進行捕霧集水效率比較,其中本實驗設計的最佳參數捕霧集水元件有較佳的捕霧集水效果,是一種高效率、低成本的捕霧集水元件,未來希望能運用於水資源回收與再利用的設備上。

分角曲線之探討

本研究探討給定平面任意三點A,B,O,滿足∠OPB=∠APO的點P軌跡為何?有什麼性質?我們主要運用複數解析求出曲線方程式,再運用其對觀察到的曲線性質進行證明,我們亦在作品中給出一些幾何解釋。之後我們更進一步更改兩角度之間的關係(如成倍數關係、差為定值等),得到了豐碩的成果。最終還發現此軌跡與其他曲線間的關聯,並說明了背後的幾何本質。