全國中小學科展

國中組

〝 風起水湧 〞 --- 綠能魚塭水車效能之研究

全臺魚塭因全天候用電開啟的增氧機衍生非常大的費用 ,我們可以利用魚塭的水和風力製做綠能水車增氧機來節省電費。 本實驗主要製做打水曝氣系統,包括 : 八葉垂直型風車、阿基米德汲水器、垂直式阿基米德螺紋葉風車、水車,各個裝置之間可以有效地動力轉移。 以管長、噴水口寬度、輪軸比、長寬比等變因測量整個系統的噴水量及轉速,藉以評估一個有效的打水曝氣系統。 研究結果顯示:阿基米德汲水器的管長越長得到越高的灑水水柱,噴水口越寬得到水柱的水量越大,輪軸比及長寬比越大的風車能造成整個系統的轉速提升、噴水量變大,合力的結果使水車得以有效的打水曝氣。 我們成功製做出一個有效結合綠能(水力、風力)的打水曝氣系統。

從空中看地面—用算樹實驗探討行道樹遮陽效果

本研究運用多元的科技方法研究行道樹之規劃。先利用實際測量了解有無樹蔭對地表溫度之差異,再以NDVI數據資料探討六都種樹情形。算樹實驗過程以小型空拍機拍攝市區常見的樹種行道樹,運用ImageJ及IC_Measure程式軟體分析、計算樹冠、樹冠幅、樹冠幅蔭等面積,探討樹蔭大小和遮陽的關聯性,發現樟樹能提供較多樹蔭達降溫效果,是栽種行道樹的最佳選擇。最後自製道具實際模擬,得到最佳植樹高度公式為LH+Wtanθ(單位:m),其中W:要遮住的路寬、LH:樹木枝下高、θ:當地12點太陽仰角,藉「算樹實驗」可配合各地區的太陽仰角角度,計算不同時段的樹蔭面積,系統化規劃各地最適宜植樹高度,如在北回歸線位置6m寬的道路旁建議最低樹高約為12m。

跳蛛體型大小與跳遠能力、距離判斷之關係探討

蠅虎科(Salticidae)以其優異的跳躍撲食能力而得名。然而牠們究竟能跳多遠?其跳躍距離與身體各項形值(體長、體寬、腳長等)之間是否有關聯,則一直缺乏佐證資料。本研究蒐集了安德遜蠅虎(Hasarius adansoni)、拉邁宇跳蛛(Cosmophasis lami)和彼得條斑蠅虎 (Plexippus petersi)等三種跳蛛,設計了跳台實驗,測試牠們究竟能夠跳得多準和多遠,並測量每一隻跳蛛的身體形值,想找出影響跳躍距離最多的形值項目為何。結果顯示,三種跳蛛的最遠跳躍距離確實存在差異,體型較大的安德遜蠅虎和彼得條斑蠅虎,最遠可跳出體長21~25倍的距離,跳遠能力顯著優於體型較小的拉邁宇跳蛛(體長17.5倍)。另外本次實驗也觀察到,在有充裕空間的情況下,跳蛛並不傾向精準地測量距離並進行跳躍。

漆步之遙

本作品研究了遊戲Cube中正四面體的滾動特性、色漆位置及最少步數解,並將三角網格轉換為方形網格,同時推廣至整個平面且為方形網格定義坐標。由於遊戲中考慮「回黏」時將較複雜,故作品前半部分先在不回黏的情況下做討論,並為了計算解題之「最短路徑長」,先求出任兩方格間「距離」,再將各方格間距離整理為表格,藉表格中行、列位置關係得出計算最短路徑長之公式。 而作品書後半段說明當考慮回黏時的情況,並因過程中需要求出任兩方格間滾動路徑上會經過A,B,C,D之個數,最後分析正四面體身上帶有色漆時對移動步數之影響。由於上述所有公式統整後非常繁複,故我們另借助Python將之統整並計算出回黏之最短路徑長。

不酚青紅皂白

自配1%酚酞酒精溶液,在進行微型酸鹼顏色判斷時,會因為酸鹼溶液與指示劑之間比例問題,造成酚酞溶解度下降而出現白色混濁,造成顏色誤判;(1%酚酞酒精溶液/酸性水溶液)比值在pH=1、2之HCl水溶液產生白色的範圍依次為1.1~10.3、1.3~10.0;pH=1、2之H2SO4水溶液產生白色的範圍依次為1.4~15.0、1.8~10.0。0.1%、0.5%、1%酚酞在pH=14之NaOH水溶液,均可觀察到粉紅色褪色為無色;pH=15則因出現白色混濁,無法清楚判斷變色;0.5%酚酞在pH=-1的HCl、H2SO4可觀察淡淡橙色。0.07~0.6M的NaOH在0.01M酚酞中的褪色動力學,褪色反應隨著NaOH濃度增加而變快,可以得到反應速率常數k=0.032M-1s-1。而在NaOH溶液中加入酒精,酒精含量越高的情形下,會使得褪色的反應速率變慢;若改加入丙酮,反應速率差異不大。

太陽能光熱分離複合發電的探討

從遮雨棚吸熱引發靈感,將太陽的光與熱分開來發電,讓太陽能板不因高溫降低發電並並延長使用壽命,然後再將分離後的電並聯使用,便是光熱分離複合發電構想,過程發現太陽光的熱分離後,會使發電量降低,可利用提高熱電轉換方式: 1.選擇紅外線IR塗料來提高透光與吸熱率 2.利用傳導、對流、輻射原理提高熱電轉換效果 3.提高致冷晶片發電關鍵在於增加吸熱與散熱端的溫差 最後利用所學,改裝環保水冷式設計,除加速散熱增加溫差以提高致冷晶片發電外,冷卻後的水也能當熱水再利用。測試後發現:照射時間越久,光電轉換電力依舊可維持發電效果,而熱電轉換則會越來越好,甚至有機會彌補因吸熱降低透光率所減少的光電轉換電量。

密碼鎖-完美控制的正交拉丁超立方家族

密碼鎖由K個旋鈕組成,旋鈕上有 種不同號碼,若旋鈕中僅有1個錯誤仍能打開此鎖,問最少嘗試多少組號碼能保證打開鎖?此問題等同於在 元K維超立方中找一組點集,點集中的點各自向其K維度畫出延伸線,若NK所有點都至少被1條延伸線所涵蓋,求重複涵蓋的次數總和要最少。 50屆全國中小學科展中討論過NN+1的情形,我們繼續分析NK,K=1+N+N2+⋯NE-1個旋鈕的情況,發現任意正整數N、E,我們能構造出最小控制集,且所有延伸線間涵蓋的點都不重複,稱為完美控制,而保證打開鎖的最小次數是ND ,D=K-E。

影響桃園河口地區塑膠微粒分布因素之初探

塑膠微粒產生的問題,已是全球關注的重要議題。我們希望藉由調查桃園沿海地區塑膠微粒分布及氣象資料比對,來探討塑膠微粒數量可能受到哪些因素影響。 我們挑選了桃園沿海地區的南崁溪、老街溪、社子溪出海口做為採樣地點;另外也加入非出海口的觀新藻礁海岸進行採樣。樣本使用尼羅紅染劑染色,計算塑膠微粒數量後,取其平均值做統計圖表,並與氣象與洋流資料進行比對分析。實驗結果顯示,漲退潮對塑膠微粒數量的影響不明顯,但風速快慢及海流的季節差異則確實有影響到塑膠微粒數量。 本研究為初探性質,樣本中的社子溪出海口塑膠微粒數量較多,河川的人為活動具體如何影響,可再進行後續延伸研究。

色變~移印幻影-著墨於儀

我們將染布前處理後,墨水樹心染材經煮染及上色時間越久染色效果越佳;染液呈紅色,略呈酸性,加鹼呈紫色、加酸呈黃色,但染布在空氣中置放,漸回復紅棕色。 我們也發現,加入不同含金屬離子的媒染劑會改變染液的顏色,而且前媒染比後媒染的顯色效果佳;後媒染則比同媒染的顯色效果佳。 最後,我們開發出整合手機App辨色的第二代在暗箱光路徑區中測比色槽染液的RGB、染布使用GY-33顏色感測器模組量測,可增加顏色量測的準確度。另外,也終於成功的製造出第四代可調變色燈的吸光儀設計,在十六色燈的感光電壓下,與串接電阻檢測電壓的線性回歸趨勢線的R2值均可達0.99以上,並可依染液選擇色燈,製作出不同濃度的檢量線並定量染布後的廢液濃度,回收再利用。

海葵白化藻知道~海葵體色之影響因素探討

林園濕地的海葵水溝區有美麗海葵存在,引起我們想探究海葵白化因素,並以RGB值量化海葵體色,以白化趨勢值比較體色變化。實驗發現美麗海葵生存的耐受範圍為鹽度3%~6%、溫度12~37°C度、pH值6.4~8.5。海葵體色體柱顏色較觸手深,環境不適時觸手變化快速。海葵體內共生藻需吸收不同波長的光,照單色光白化趨勢值紅≒藍光>綠光,照綠光組白化較為緩和;26°C適合海葵生長,低溫21°C組白化趨勢較高溫組明顯,不同溫度有不同的優勢藻類;以打入CO2調製不同pH之海水,結果顯示pH小於6.4不利海葵生存,酸化的海水使海葵體內蟲黃藻很快釋出,是造成海葵白化的重要因素。結果可應用在以影像即時監控海洋生物,將體色轉換成數值以了解其白化趨勢及時掌握環境變化。