全國中小學科展

國中組

探討帆船在不同航行方向時帆面的操控原則並應用其理論製作資源回收之遙?

近年來澎湖縣在賴縣長積極推動帆船運動下, 2002 年世界盃 49 人帆船錦標賽選擇在馬公觀音亭舉辦, 同年亞洲盃風帆賽亦於同一地點舉辦, 這足以證明了澎湖群島是非常適合發展帆船運動的. 有鑑於此, 我們做了一系列探討帆船操控的實驗, 藉以求出一艘帆船於實際的風力吹拂下, 他的帆面該與船身成何種角度以達到最快的速度, 同時, 我們也應用此一結論, 利用手邊廢棄物做出資源回收之遙控帆船, 藉以驗證帆船操控的原理.

設計簡易實驗─探討電磁鐵的磁力與其變因的關係

經過了一兩個月的研究討論與重覆的實驗,歷經無數次嘗試錯誤,我們終於從懵懂無知,進而瞭解,原來複雜的科學現象,可經由不斷地實驗與科學方法將其一一剖析,變成簡單而合理的解釋。最後的結果,讓我們深深地體會:我們好像科學家,找到一把簡單開啟通往神秘自然界的鑰匙,我們相信這顆種子已深植在我們心中。將來一定會茁壯,在人生的道路上,我們一定會用這種方法去找到通往成功的簡單之鑰--------一定有方法只是你找不找得到。

揭開大王椰子樹倒塌的秘密

去年夏天一個輕度颱風—蓮花,吹倒了一棵在××國中後門的大王椰子樹,且壓死了一名青年人。我覺得很奇怪,台南市有那麼多椰子樹,為什麼只有在學校後門的大王椰子樹倒塌,所以我就利用巴沙木圓木棍模擬大王椰子樹倒塌的相關實驗,終於找到大王椰子樹倒塌的原因—莖的底部有一個很大的凹洞,再加瞬間強風吹襲。最後在老師的陪同下實地勘查台南市部分的行道樹和學校、公園內的椰子樹,並提出解決改善的方法。

流體動能利用系統-Stanley Generator 製作及模組化應用

我們以超過傳統1.96 倍(平均值)發電量的新式 Stanley Generator(SG)同軸發電機應用在水平軸流體發電及垂直軸流體發電,並結合水平軸可多層次利用流體動能及垂直軸簡易的優點,設計出新一代HV(Horizon Vertical)系統。設計並檢測阻流型葉扇及撞流型葉扇不同長寬幾何比例及不同的葉面傾角度,在風速0.5m/s~5.0m/s 情境,測量葉扇的轉速,結果阻流型葉扇以第4 組葉扇(21.5:10:40)於葉面傾角10o、撞流型以第二組葉扇(21.5:10:40),所得啟動風速最低且轉速最平均兼顧低風速啟動及高轉速維持。同時設計了各式SG 應用模組,包括一級應用的三層流體動能擷取系統,二級應用的雙軸單增速系統,三級應用的雙增速HV 系統。都能發出比一般發電機高的電量(1.48~1.96 倍),也更快(較低流速)達到發電機最大(額定)發電量。

「弧」思亂想

本研究在探討一種特定類別的曲線集合 : 給定平面上 n 個點 {A1,…,An},我們想要找 n 段圓弧,使得 n 段圓弧分別以 {A1,A2 }、{A2,A3 }、…、{An-1,An }、{An,A1 } 為端點,且 n 段圓弧光滑的相連,我們將此 n 段圓弧形成的圖形稱為光滑解。主要研究發現為 : 1. n 為奇數時,這些圓弧存在的充分必要條件以及滿足條件的圓弧組數量 2. n 為偶數時,這些圓弧存在的充分必要條件以及滿足條件的圓弧組數量 3. 光滑解自交不可避免 4. 上述圓弧組不存在時,可透過增加一個新點使圓弧組存在 5. 增加新點的軌跡是圓

葉飄何處,紙歸何方

要了解葉子飄落有無規律,我們搜尋幾種葉子,加以分類,再分別釋放,觀察其落下的情形。結果發現,業原有翹起的,其落下的路徑較穩定。為了精準的控制變因,我們用正方形的紙張,分別將其四邊折起一小段來觀察其落下的情形。結果發現,吳折邊的紙張落下會翻滾亂飄。有折邊的紙張,會向折邊的中點位置飄去。我們利用簡易風洞來探討折邊紙張的運動原因,首先在風洞下方燒樹枝製造煙霧,在觀察紙張周圍氣流流動情形。結果發現氣流經過紙張後,會向中心捲入,撞擊紙張折邊,使折邊紙張向固定方向飄落。接者改用折兩邊的長方形紙張來做實驗,竟然會旋轉,而且剛開始旋轉方向和後來旋轉方向相反。經過仔細研究才發現,剛落下時速率慢,阻力小,捲入的空氣推動長邊的力量較大,所以由長邊轉向短邊。當落下愈來愈快時,阻力大於捲入空氣的推力,使阻力推動長邊的力較大,改向反方向旋轉。由以上的實驗我們終於了解折邊紙片落下的原因了。

大自然的數學遊戲-蟻獅『做圓』、『做錐』挖挖挖

本研究主要是探討蟻獅巢穴的數學秘密,經觀察蟻獅建造巢穴的目的有二:(1)做『圓錐巢穴』是為捕食、(2)建造『圓形蛹室』是為成長蛻變。我們計算了十個樣本,發現蟻獅所築圓錐巢穴之坡度大約介於49°~63°之間,利用勾股定理a2+b2=c2算出巢穴斜邊長在1.25~4.85cm間,另外不同大小體長蟻獅建造出來的巢穴底圓半徑、深度、體積與圓錐體曲面面積,相關係數分別是0.62、0.4、0.53、0.56,證實上述項目彼此間有顯著線性相關,而有利於蟻獅捕捉到獵物。在球體蛹室半徑、體積、蛹室的面積等與體長間,相關係數是0.99、0.88、0.95,且有高度線性相關,代表蟻獅幼蟲可以在蛹室內安全無慮下蛻變成長。

負數的面具「和拾數」

從背九九乘法表開始,我們就對除法充滿新奇並也有份神秘感,在當時我們只覺得很不容易猜到商是多少?餘數是多少? 到了國中,在課本中又發現要去判定是否兩數有因數倍數的關係時也是使用除法去算;但是課本中列舉了 2 、 3 、 4 、 5 、 9 、 11 等幾個不需要使用複雜而長的除法就可以知道是否會整除的計算技巧。 因此我們在想是否有較簡單而不複雜的計算過程,可以來幫助計算?所以我們決定對四則運算加以研究整理,期望能找出一些規則或方法來減少傳統運算上的不方便。

茶言觀色-不同茶種之茶液在不同環境下的酸鹼性與顏色變化及氧化性研究

為了研究各種茶種間的不同,以及在不同環境下對其的影響,本研究進行五項實驗,研究八種不同茶種、熱水沖泡室溫保存與冰水沖泡低溫冷藏、通入二氧化碳與通入氧氣之茶液之酸鹼值還有顏色變化的不同,發現完全發酵茶酸於部分發酵茶,更酸於未發酵茶,而顏色部分,完全發酵茶較部分發酵茶深,更較未發酵茶深。 若比較以熱水沖泡常溫保存或以冷水沖泡低溫冷藏所得之茶液比較,發現熱水沖泡常溫保存之茶液較偏鹼性且顏色較深,並且以鋼絲絨生鏽的速度驗證了茶具有抗氧化的功效,而本組意外發現二氧化碳也能夠減緩氧化的速度,經由多次的比較結果更證實了其結果之正確性了。

隨波逐跡 - 探討超音波感測器在冷次定律實驗的應用

傳統冷次定律實驗,只能測量磁鐵進出鋁管的時間,得到其平均速度,極少討論磁鐵在鋁管中瞬時移動。透過Arduino操作超音波感測器及示波器,探討影響超音波反射波大小的因子和追蹤管內移動物體位置之可行性,發現當反射波訊號超過40mV即可啟動感測器,距感測器較近物體的反射波會先啟動感測器測距,因此超音波感測器具有最短測距的特性。以Python及Geogebra撰寫聲波傳播的模擬軟體,觀察到波的指向性受發射的口徑和頻率影響,可算出感測夾角。應用於自由落體及冷次定律實驗。最後,我們開發轉盤式與雙感測器式兩種超音波二維定位儀,測量半徑50cm內的物體,測量誤差可控制在1.1cm內。