全國中小學科展

高中組

微型壓電陶瓷散熱模組設計與應用之探討

本研究創新設計微型壓電葉扇散熱模組,並系統化以實物量測及模擬分析探討壓電葉扇物性及優化結構設計,達積體電路元件散熱應用。首先改進研究文獻中既有單葉壓電薄片振動散熱,設計雙片型壓電葉扇,以張合振動形成小型噴流式散熱。繼而設計壓電葉扇結合特殊導引散熱夾層,以金屬片傳導元件熱能至夾層空間,配合壓電葉扇驅動氣流致冷,達散熱效能。 實驗測試結果,與相同散熱能力軸流風扇比較,雙片型壓電葉扇耗電功率減低為2.3%,散熱空間減小為30%;優化微型壓電散熱模組,耗電功率減低為4.5%,散熱空間減小為13%,並較既有單葉壓電風扇散熱能力提升至311%,且具有在小空間導引熱氣散逸能力,可作為3C器件散熱之應用。

我折、我折、我折折折

AIME2004 考題:一張長1024 單位、寬1 單位的細長紙條,將其分成1024 個單位正方形。將這紙條重複對摺。第一次對摺時,將這張紙的右邊邊緣疊合在左邊邊緣的上面,使其成為長512 單位、寬1 單位的紙條,厚度為最初紙條的兩倍。第二次對摺時,也將這張紙的右邊邊緣疊合在左邊邊緣的上面,使其成為長256 單位、寬1 單位的紙條,厚度為最初紙條的四倍。如此動作,再重複8 次。於完成最後的摺紙活動後,這張細長紙條已變成厚度為最初紙條1024 倍的單位正方形。試問在原來從左邊數起第942 個單位正方形的下面有多少個正方形?這種題目說實在真的很煩,但是到底怎麼算呢?本次的研究核心集中在折數、排序、紙條上的數值,以及許多迷人的結果及它們之間錯綜複雜的函數關係,並將嘗試進一步解開折數是5、6、7…等其他高次方與任意序數之數值。

藍牙方程式賽車--繪圖車設計

為增加數學課程的互動性,我們設計了一台可遙控的「方程式」繪圖車,可以依所輸入的座標來移動,精準的繪出所有的二次函數和其他圖形。 這台繪圖車裝備兩顆步進馬達,透過Arduino微控制器,指揮繪圖車的行進路徑。如果把所有圖形都看成是平面上點的連結,我們的構想是將座標系套用在平面上,而繪圖車在座標系裡從點到點之間行進的過程中,車上的筆就可以描出不同的圖形。我們自己寫了一個App,讓使用者可以用手機與繪圖車連線,增加了無線控制的方便性。此一裝置,可讓教學者只需拿起手機,就可以輕鬆又準確的呈現各種二次函數圖形,而學習者也可以藉由操控繪圖車,更清楚掌握數學函數的原理。此種繪圖車的原理,可以廣泛應用到各種圖形的輸出與展示。

密碼學在中文的推展

在現實生活中,經常有許多隱私,小從兩人之間的通訊,大到國家之間的戰爭機密,都是不能讓其他不相干的人知道的;一般資料的保密,皆是妥善保存重要資料,諸如鎖在保險箱內;即使是如此,還是有被偷的可能。因此,就需要第二道關卡:將資料保密。這時,就要藉助加密的動作了。這樣一來,即使資料被偷了,別人所得到的,也只是一堆亂碼而已。由此可見密碼學的重要。 \r 寒假中,無意接觸到「數學小魔女」這本書,於是對密碼學產生濃厚的興趣。因此決定做篇有關密碼學的專題報告。 \r 我同時對書中的文字加密運算過程(參考資料)感到很大的興趣,認為此法的難度和安全性仍可再向上提升,所以想用簡單的數學計算來讓文字保密。 \r 在許多書中,有關密碼的記載,皆是以英文加密為主。幾乎沒有以中文加密的範例或方法的記載(就目前而言,我尚未找到。)因此,想研究如何用中文來進行加密的動作,讓加密時,不必再翻成英文,進行加密。這樣一來,當對方要破解密碼時,必需先考慮到我方是用中文或英文來加密,在安全性上,自然比原先糸統高出許多。 \r

日落而作,日出而息

在傍晚六點前後,中正橋上的蜘蛛會開始結網及覓食。美崙溪下游的曙光橋、中山橋、中正橋及尚志橋欄杆上的蜘蛛分佈有很大的不同,我們進行戶外調查共165小時,總紀錄兩種蜘蛛(大長腳蛛、黃姬鬼蛛)共1065隻次。其中以中正橋上蜘蛛總數最多,且大長腳蛛的數量大於黃姬鬼蛛,多分佈在橋上的燈條下方。根據實驗數據,夜晚有燈條光照環境的蜘蛛結網率大於無燈條光照環境,推測是因為蟲具有趨光性,被燈光吸引,使蜘蛛結網於燈條下能增加其捕食成功率,進一步推測各橋環境的食物量和橋邊燈條的分布,會影響蜘蛛的結網位置。為此針對中正橋兩岸護欄及橋下環境進行調查。本研究也讓我們團隊對於橋上照明設備對黃姬鬼蛛、大長腳蛛的影響有了基礎的調查資料。

文明的產物-噪音

噪音一直是生活上嚴重問題,影響生活情緒、工作品質,甚至使聽覺能力受損。普通的家庭其實無法達到很好的隔音效果,所以我們試著利用窗戶和聲音的共振頻率關係,來改善這樣的問題。

錐求完美

本研究主要在探討三角錐的性質。我們採用了三平角的三角錐展開圖來做以下的討論。(定義∠1+∠2+∠3=180° 1+∠2+∠3即為平角。 )∠我們首先探討三角錐之折法,並討論是否任意三角形(銳角三角形、直角三角形、鈍角三角形)皆能折成三角錐。再者,我們更進一步的研究三角錐的相關性質,如:三角錐四個頂點所相鄰三個角之角度、三角錐的兩面角和三角錐的體積…等。本研究發現如下1.三角錐之折法:取三邊中點,延兩兩中點之連線對折,即可折成三角錐。2.並非任意三角形皆可折成三角錐,但任意銳角三角形皆可折成三角錐。3.此三角錐四個頂點各所相鄰三個角角度和皆180°。4.△ABC面積固定,當△ABC為正三角形時,所折成的三角錐其體積為最大。根據以上的發現,我們發現了三角錐的其它的特性。

分派問題

1. 若有a 個城市、b 間公司,每個城市至少有n 間公司,則每個城市的公\r 司數要如何分配才能使線路有最少條數。\r 2. 令有些城市有限定的公司數m,分配方式又將如何改變。\r 3. 兩城市之公司排成兩平行直線,從任一公司出發,恆可到達另一城市之\r 任意公司,欲找出最少之連線數及交點數的方法。\r 4. 在兩城市各有固定公司數量,在最少線路及交點數的情況下,求得一畫\r 法,使得從一公司到任一公司有最少或最多的轉接次數。\r 5. 如果公司數沒有「最多轉接次數等於交點數」的情形,我們試著找出最\r 多的轉接次數。\r 6. 探討兩個城市間的線路畫法中,哪一種畫法能使線路總長度有最小值。

平面中路徑糾纏狀況之探討

一開始,我們想求出兩人走捷徑且不相交的捷徑總數,並利用終點交換的方式求出其解。之後我們想求出三人走捷徑且不相交的捷徑總數,我們採用分析的方法,將其分類並逐步討論其解答,之後利用人數格數的變化關係製造出其他的等價問題,並以矩陣的方式推出遞迴式,我們閱讀其他的科展作品後,發現我們的可以轉換成其地磚問題,並順便解決之。

自組裝「聰明窗戶」製作之研究

導電高分子可用於製作的「聰明玻璃」,即是電致變色的應用,電致變色玻璃屬於建材領域,一般採用電化學法處理,但此方法無法處理大面積?因此我們思考─可否利用奈米科技中的「自組裝」特性,將電致變色物質附著在 ITO導電玻璃上。如果能停留在表面,因為奈米晶體的體積很小,所則會因表面積效應使得的總面積相對大很多,故由此概念展開本主題之研究。研究過程是先進行文獻探討,再研究利用浸泡自組裝方式生成導電高分子薄膜,其中還須研究找尋另一適當的導電高分子與中間的電解質,完善後須組裝並測試顏色對比,最後針對最大對比色之模組進行耐久穩定性測試。研究發現利用聚苯胺為自組裝的單體原料,在溫度 4 度時兩天是最佳化,且由 SEM 得知高分子之寬度約 500nm。另一片 ITO 玻璃的導電高分子用已商業化、化性穩定的產品─PEDOT-PSS、電解質採用 LiClO4 皆能在測試時有良好的成果出現。組裝後的元件經由循環電壓將近 300 次測試發現,穩定性甚高、顏色對比只降低 4%。本研究成果之元件變色為深藍色與墨綠色,顏色並不豐富,如能改變不同高分子,找尋其他分子材料讓顏色更豐富,再者能採用可撓性的素材,其運用範圍應該會更廣。