全國中小學科展

第65屆--民國114年

問君哪得清如許~探討永續節能自動化水質檢測及淨化的可能性

水質同時受到有機染料與無機鹽類污染,現行處理流程常分段進行,能源又受天候限制。為此,本研究開發一套整合「即時檢測-自動啟動-光觸媒淨化」的太陽能驅動水質清淨機。分別以有機染劑的亞甲藍以及無機鹽類的磷酸鹽(優養化)、亞硝酸鹽(生物毒性)為污染代表,檢測儀使用Arduino以反應試劑的RGB顏色變化檢測,汙染濃度超標則啟動水質清淨機進行降解。清淨機利用二氧化鈦光觸媒來淨化水質,作動結果顯示在光觸媒的作用下,不同的污染物濃度均能大幅下降,達成水質清淨目的。在能源的利用上,採用太陽能板儲能以提供陰天、夜間光觸媒所需的紫外燈電力,有效解決除污的時間及天候限制,達成全天高效水質淨化,符合節能等永續理念,值得大力推廣。

水污染智能偵測系統

磷污染及重金屬的累積被確認為引發水體富營養化及生態毒性的關鍵因素,對接觸受污染水的動物和人類造成危害[1]。磷酸鹽作為磷污染的主要形式,傾向於促進藻類的過量繁殖,而重金屬離子因其高度毒性及生物累積性,對水生生物的影響尤為嚴重。由於一般檢驗方式過於耗時、費力,所以我們想研究出可以實現快速檢測出水是否遭受到汙染的系統。 本作品將化學、光學、電機、機械、AI、微電腦領域知識進行「光-電-機-智」深度整合,使用AI輔助補償演算法提高作品方便性,提升水溶液的定性定量分析效率,使本作品能快速檢測水源是否遭受磷或重金屬鉛污染,並且計算濃度,無需將樣本送回實驗室,捕捉污染動態。降低成本與操作門檻,達到良好監測及做好水土保護。

「塑」戰「菌」決——探討小蠟蟲腸道菌對塑膠微粒的吸附及降解情形

本研究探討小蠟蟲(Achroia grisella)腸道共生菌對塑膠微粒的吸附與降解潛力,成功分離出30株可穩定培養菌株,並針對常見塑膠(PET、PP、PE、PLA)進行吸附與降解分析。結果顯示,菌2與菌5能有效吸附PE與PLA微粒,其中菌5在PLA條件下展現快速酸化與 CO₂ 釋放現象,顯示具備生物降解能力。進一步證實其在無碳源條件下仍能附著塑膠表面,顯示其可將塑膠作為潛在碳源。此外,菌株處理後之PE微粒對水蚤毒性下降,心跳與存活率回升,推測與毒性添加劑去除有關。本研究亦觀察到菌體對塑膠表面具專一性吸附,對金屬顆粒無附著現象。綜合實驗結果,菌株5具高穩定性、廣效吸附與降解潛力,未來可應用於塑膠污染治理與生物回收領域。

地質改良樁在砂質地層中穩定學校教室

開學時,學校拆除前面的危樓,在地面上挖出一條深約1.5m的大溝槽,可以清楚的看見學校地層是一層一層粗細不同的泥砂,在下大雨時,還可以看見地下水的流出。所以我們在塑膠盆底部插入不同數量的木條,模擬地質改良樁做地震的測試,結果塑膠盆裡的泥砂會受到木條的數量影響而下滑;也在泥砂上,模擬木條房屋,在地震後產生不同角度的傾斜和不同深度的下陷。最後,我們利用大型塑膠盆、厚木板和裝入混泥土的塑膠管做成模擬地質改良樁放入泥砂,在上面放置不同規格的模擬房屋做模擬地層的實驗,發現模擬地質改良樁的數量、長短、疏密、地層搖晃的時間,都會影響房屋的下陷、傾斜和倒塌。

漢行無阻,蜿蜒曲折

從國立臺灣科學教育館《科學研習期刊》的一道題目中,我們開始研究矩形方格的路徑問題,透過對路徑的分類整理,由簡入繁循序漸進,讓我們有撥雲見日之感。 我們從最少轉折數及其路徑著手,延伸到最多轉折數;從利用樹狀圖討論所有漢米爾頓路徑,到運用螺旋(轉90度)或迴轉策略(轉180度),透過其轉彎次數與轉折數的關聯,推得各個矩形方格的最多轉折數之路徑,並找出最多轉折數的公式。接著,我們分析矩形方格中有缺一塊的最多轉折數,利用路徑趨勢的轉角處與起終點,找出缺塊位置的最多轉折數與未缺塊的差異。 最後,我們試圖解出所有轉折數及其代表路徑,並整理其路徑間的關聯性,但其繁雜度又更高了,期許未來能一一解開這些問題。

舞動靜默—空間迴音問題探討

本研究起因於學校表演藝術課教室的迴音問題,影響學習專注與舒適度。為改善此現象,本研究針對空間音場進行改善實驗,探討不同布料材質、不同樣式窗簾、不同吸音孔形狀、不同吸音孔深度,吸音與減少迴音的效果。研究使用手機應用程式產生定頻音源,透過自製音場實驗箱,搭配噪音計測量吸音量與殘響時間。 研究主要發現如下: 柔軟性高的布料具較佳吸音與減少迴音效果。 波浪簾吸音與減少迴音效果皆優於紙捲簾與百葉簾。 孔洞為圓形之吸音板比正方形或正六邊形更能有效吸音與減少迴音效果。 孔洞深度較深之吸音板,吸音與減少迴音效果越明顯。 透過本研究的結果應用,選擇合適的吸音材料與孔洞設計,可以有效改善空間音場環境,提升學習成效。

鼠鞠草萃取物調節NRF-2轉錄因子救援UVB造成的皮膚細胞老化

人類皮膚接觸到陽光中的紫外線(UVB)會造成皮膚細胞內產生大量的自由基進而導致皮膚老化,本研究的目的是為了探討鼠鞠草萃取物是否可用於減緩UVB造成的皮膚老化。本實驗以UVB紫外燈來照射人類皮膚纖維母細胞,藉此模擬人類皮膚曬太陽所引起的老化狀況。由實驗結果得知,UVB照射會造成皮膚細胞的傷害,包括皮膚細胞死亡、細胞移動能力的減緩、氧化壓力上升、老化蛋白質p21表現量上升、抗老化相關蛋白質collagen1a1的表現量下降;而加入鼠鞠草萃取物之後,上述造成皮膚細胞老化的病理現象都得到了明顯改善。進一步的研究,我們發現鼠鞠草萃取物是經由抗氧化蛋白質NRF-2表現量提升來抑制皮膚細胞的老化。

星芒交匯-探討特定四面體之費馬點

本研究探討特定四面體中費馬點之存在條件與其坐標表示式。本研究以邊長為2 之正四面體為例,利用幾何對稱與空間向量運算,證明其費馬點唯一,並求得其座標為[1,√3/3,√6/6]。進一步探討具特定對稱性之四面體,底面為任意三角形ABC,且使ΔABC與ΔABD全等,設 ̅EF為 ̅CD與 ̅AB中點連線,探討費馬點落在線段 ̅EF上之情形。透過空間幾何分析,推得若特定四面體的費馬點落在 ̅EF上,則c1=0.5b1。進而,當費馬點p落在 ̅EF上時,其費馬點P(p1,p2,p3)坐標表示式如下: p1=0.5b1,p2=0.5b1/(b1+√2(c22-c2d2))*(c2+d2),p3=0.5b1d3/b1+√2(c22-c2d2) 此外,利用費馬點唯一性及平面四邊形費馬點性質,說明此點亦為四邊形IJAB之費馬 點,研究成果將平面幾何中費馬點概念成功推廣至特定四面體,並提出當不滿足此條件時,費馬點坐標的一般化推廣仍有待後續探究。

聽誰說話:進行寵物溝通的動機和心理歷程研究

寵物溝通逐漸流行於現代社會並受到關注,但目前仍缺乏大眾對寵物溝通態度的廣泛調查研究。本研究調查了大眾對寵物溝通的態度,並嘗試從寵物飼養經驗及心理學角度提出解釋。研究 結果發現,有飼養經驗、寵物仍存活或曾有正向寵物溝通經驗的受試者,會更傾向更相信寵物溝通有效;反之則傾向對寵物溝通抱持懷疑。另外,質性資料顯示,相信寵物溝通的人,理由多來自於相信 靈性觀點、認同溝通師的專業展現或自身曾有正向體驗;抱持懷疑者則多聚焦於對寵物溝通本身缺乏科學證據的事實,亦傾向認為溝通師的溝通內容僅是毫無根據的話術。整體而言,本研究分析了大眾對寵物溝通的整體態度傾向,並進一步探索背後主觀信念的內涵,期能為往後研究帶來啟發。

把自己變不見的「膜」法

本研究以天然材料製作「水溶性包裝袋」為目標,期望改善塑膠袋所造成的環境問題。從腐壞地瓜萃取出澱粉為原料,並將甘油、聚乙烯醇(PVA)、檸檬酸、硬脂酸及水混和以塗佈機於玻璃片上製膜。針對不同比例所製成的水溶膜,透過SEM探究聚合物的交鏈情形;藉由拉力實驗找出膜袋 荷重性最佳的成分比例,澱粉、甘油含量較低者,膜袋荷重表現佳。以熱重分析法探究膜袋之熱穩定性。以FTIR分析成分比例不同的膜之氫鍵,圖譜中可見甘油所造成之變化,同時影響膜的黏滯性。透過微粒動力學將膜溶於水中,施以擾動並觀察微粒粒徑變化情形,攪拌時間越長粒徑越小。最後,將自製膜放於植物盆栽上,觀察植物成長及測量滲透水pH值,確保其對環境友善,以利推廣應用。