全國中小學科展

第44屆--民國93年

利用影像處理軟體分析流場流速之研究

\r \r \r \r \r \r \r \r \r \r 流場流速之量測在現今流體力學領域中是一項重要的技術,由流場流速之分佈可使我們瞭解流場的特性,從而印證各種理論所得結果之適切性。而由於目前量測流場流速之儀器設備皆相當昂貴,如須購置,對於學校而言是一項沉重之負擔,因此本研究想利用低功率雷射結合已經相當普遍之數位攝影機,產生數位影像後,再藉由影像處理軟體分析轉檔,最後由質點影像測速軟體分析,求得流場流速之分佈。由研究之結果發現【1】研究並拍攝水在攝氏90 \r 度時之流場流速平均值約為2.87×10-2m/s,大於鋁粉之沉降速度(1.64×10-3m/s)甚多,因此可視鋁粉為理想的可視化介質、【2】為避免變形計算誤差的產生,利用畫有刻度之投影片進行校正,可確保拍攝面與影像擷取裝置平行、【3】DV之每張影像間隔0.034 \r 秒,因此所得之流速可視為瞬間速度、【4】每兩張影像圖可分析出一張流速圖,由多張流速圖之動畫可清楚看出流速的變化、【5】熱水上方之主要流場為向外且產生渦流,而其餘之流場則較不規則。本研究結果雖在經濟性方面有其優點,但如能將雷射之功率提高、可視化介質反射率增大、攝影機之解析度提升,則完整性會更高。 \r \r \r \r

金雙氧、鉛雙氧、氧氧相連!

本實驗研究,從清洗隱形眼鏡的「防漏鏡盒」中發現,白金是使雙氧水分解很好的催化劑開始,透過資料的搜尋,發現有幾屆科展作品探討過MnO2 對於H2O2 的催化能力及相關探討,有些文獻中也探討顯示CuO、PbO可作為MnO2的良好催化輔助劑;因此,本實驗透過科學邏輯的方法,設計一連串的實驗,找到了一個使雙氧水迅速(急速)分解的催化劑--PbO2,因此,本實驗研究的重點就偏重在PbO2的催化動力學及應用於殘餘雙氧水檢測之可能。

桑寄生寄生生理與組織之研究

桑寄生植物屬半寄生植物,具葉綠素,可行光合作用製造有機養分,但所需之水分和無機物取自於寄主——朴樹。我們由實驗得知,桑寄生為了確保可自朴樹身上取得無機養分,其蒸散速率大於朴樹;我們也可以從氣孔密度比和管腔截面積比的結果得知,此二因子對於其蒸散速率之差異有顯著的相關性,也就是說,桑寄生對於朴樹的選擇,若不能在構造與生理適應上取得優勢,會不易甚至無法在朴樹上長期穩定生存。 不過,雖然桑寄生可以自行製造有機養分,但是我們想知道它是否也會吸取朴樹身上的有機養分。因此我們比較了日照與否的桑寄生的醣類比較,但是嘗試了多種實驗方法,依然無法取得穩定的數據,使得我們不能確知其結論。另外,我們也製作了朴樹與桑寄生莖的切片,觀察其生理構造的差異。

綠色感測器─巴拉刈無所遁形

本研究探討以植物作為電極修飾層,對電化學偵測巴拉刈濃度的影響。首先,比較背景電解質溶液對偵測巴拉刈的影響,在氯化鈉溶液中可得到較穩定的巴拉刈訊號。再將植物修飾電極取代原本的工作電極使用,經植物萃取液修飾的電極所偵測的氧化還原波峰電流值均增大,故得知植物修飾層有助於增加偵測巴拉刈濃度的靈敏度。另外,透過經修飾不同層數的菠菜電極偵測,發現修飾二層時偵測訊號有最大值。而且,當預濃縮時間增長時,氧化還原波峰電流也隨之增大。最後,我們將此種植物修飾電極拿來偵測水源、蔬菜液等,並利用標準添加法計算其中巴拉刈濃度。透過實驗,證實了未來將植物作為天然感測器,偵測微量除草劑濃度的無限可能。

生生不息的天空之池

水池生態園位在三樓的走廊旁,是小朋友下課時間觀察、休息的好地方。主要分為四大區域,調查出20 種動物和43 種植物,生物之間也有食物鏈和食物網的關係,主要影響水池生態園的因素包括時間、日照、水綿的生長速度等,經過這次的調查研究,我們也學習到如何去觀察、維護水池生態園。

竹炮音量控制之研究

我們在課堂上學過燃燒的要素與產物,也學過聲音的振動與音量大小;同時在許多新聞報導與慶典活動中,我們可見到竹炮的蹤影;雖然網路上可以查詢到的相關資訊很多但仍覺得不真實,於是我們實地探訪操作竹炮,親身經驗聲音的震撼,使我們興奮不已但也使我們產生一些好奇想法:如何才能製造出最炫最大聲的竹炮?經過一連串資料搜尋與探討,我們以音爆、共鳴為主體發展一系列實驗,驗證在特定材質、口徑、高度與特定的氣體量時,可以獲得最大的音爆與共鳴值。

終端速度

液體中之自由落體與液體的黏滯性有關,本實驗找出球體半徑與終端速度之間的關係。利用攝錄機作為紀錄工具,拍攝三種材質(壓克力、玻璃、水晶)的球體在沙拉油中的自由落體過程。使用電腦映像處理軟體將影像分解成幅影像,時間的解析度為1/30 秒。測量球體的高度與時間,分析高度與時間的變化情形,發現終端速度與球體半徑之間的關係。 流體中之運動方程Fdrag = -k1V,無法符合實驗結果。我們的實驗結果顯示油中的自由落體的運動方程應該是Fdrag = -(k1V+ k2V2)。由不同材質的壓克力球(~1.18g/cm3)、玻璃珠(~2.47g/cm3)與水晶球(~2.66g/cm3)所獲得的終端速度(Vt)與球體半徑(a)的關係為a3(ρ-ρ') = 0.00003(aVt)2 + 0.00021(aVt) + 0.00575,其中ρ與ρ'分別為球體密度與沙拉油密度(0.90 g/cm3)。

讓振動現形 ── 垂直振動的顯示與擴散研究

音叉的振動或敲鼓時鼓皮的振動,雖然可以感覺得到,但是他振動的時間太短且振動的速度太快,觀察他總讓人感覺不夠明確。本研究是透過各種方法要創造出一個可以量化、可以明確顯示振動大小的儀器,並以此儀器做振動擴散的研究。

正方形的捉迷藏

進行這個研究,是為了找出一個簡單的數學公式,來計算各類正方形釘板上,可以圍出的最多正方形個數,在研究過程中,以格點表代替正方形釘板,描繪出長寬各有2 點~長寬各有10 點(以下簡稱2x2~10x10)的格點表內,所能圍出的所有正方形個數,再研究各種規格格點表內,各類正方形間的關係,從而推論出最後的計算公式:nxn釘板上可圍正方形總數=1/12(n2-1)n2。雖然最後得到的結果,以我們小學生所學的知識無法推理出來,但是很感謝老師的從旁協助指導,並提供我們重要的平方和與立方和公式,才能有這樣簡便的計算方法,以後,就算是1000x1000的釘板,也不需要動手去圍,就能算出正確的正方形總數。

質因數的判別—位數劃分法

我們因為對質因數的判別法產生好奇而著手研究。我們由質數3、11的判別方法切入,先研究初期判別的原理,並用它試著找出7的判別方法。接著我們,將數字不斷劃分觀察,終於研究出一種質數都能通用的判別法,我們稱之為位數劃分法。其原理是依據任何一數都可以分解成質數的若干倍和位數劃分法所賴以判別的形式。其方法是把數字不斷的分成個位數和其他位數,求其個位數乘以設定值與其他位數之和或差,再觀察能否被質數整除。