全國中小學科展

國中組

探究花感知蜜蜂聲音分泌更多甜份的奧秘

以色列演化理論學家哈德尼,對月見草作植物聲音感知實驗,發現只要一感知到蜜蜂翅膀振動發出的嗡嗡聲,月見草就會在 3 分鐘內將花蜜中的糖分濃度增加到 20%。本研究想探知花內蜜腺提升花蜜甜度所需之醣類養分,在植物主動運輸的鈉鉀幫浦及質子幫浦在運送醣類養分下,記錄流經韌皮部時,在等效電路所產生的電位變化,由莖取出訊號觀察有無蜜蜂聲出現時之差異性。本研究用五星花及仙丹花兩種蜜源植物,從花萼下方取相距3cm的兩點直流電壓,觀察無蜜蜂聲及有蜜蜂聲3分鐘測試電壓變化,確實電壓約有2mV~12mV變化,且證實花的甜度會增加12%~20%,對花做單一頻率測試,找到與蜜蜂相近的反應頻譜,期待對提升蜂蜜品質有幫助。

追光者

看到校園屋頂的太陽能板,只能朝著單一方向接收陽光,但太陽會依據時間而改變移動路徑。若太陽能板能隨著日照路徑移動,則能增加日照時間與發電效果。本次研究是利用雲端試算表計算太陽角度與方位,再利用物聯網開發板操控馬達與液壓機構,調整太陽能板裝置的角度與方位,以達到自動追日的效果。過程利用問題解決模式進行研究,經過蒐集資料與不斷測試修正,歷經五代的實驗裝置,已製作出太陽能板自動追日裝置,並可實際操作。不同於使用光敏電阻偵測光源而移動裝置,本次研究裝置是不受環境光源影響,可精確對準太陽位置。因時間和成本有限,目前只能以小型太陽板測試,期待日後能製作出大型太陽能板追蹤裝置並增加綠能發電的效率。

膜力--探討圓形石頭或彈珠在不同高度落水時產生的現象

我們利用三種不同質量與體積的球體(484g的龜甲石、108g的大彈珠、24g的中彈珠),自離水面129公分高處分別自由落體降入水中,觀察水面所形成的水膜與水面下所形成的錐形體關係。發現不同球體有各自不同的成膜高度,且高度越高其所造成的空氣甜筒體積越大。研究中發現空氣甜筒的體積遠大於球體本身所排開的水體積,推測在球體迅速落水膜的時候帶入大量的空氣。我們試著建立空氣甜筒所形成的模型為球體下降的過程中,推測球體下方運動較為快速,造成的壓力較小,所以造成外界較大的大氣壓力帶進更多的空氣,形成空氣柱。同時因為越往下方移動,水壓越高,因此造成水面下的錐形體,且錐形體內的空氣壓力小於外界大氣壓力,因此擠壓濺起的水體向內產生水膜。

「疫」起守護校園──3A智能防疫系統

新冠病毒肆虐全球,也打亂各地人民生活。只有防疫做得好,才能讓生活恢復常軌。而校園正是防疫工作重要一環。我們利用物聯網開發出智能環境偵測網,結合AI技術,實施人臉口罩辨識;並運用Arduino模組,自動偵測人員識別證、體溫及手部酒精測量值。且能寫入資料庫,以取代紙本登錄更方便查詢。並開發專屬APP利於人員操作管理。我們透過實測驗證系統的可執行性,結果發現整體檢測準確率約為90.5%。而我們持續系統的優化與改良,包括即時語音提示、直覺化檢測介面、及檢測主機外盒的設計等。整個檢測系統建置成本僅需2,400元,而全部程式僅要0.5GB,利用隨身碟免安裝隨插即用,即可完成一個3A(AI、Arduino、APP)智能防疫系統。藉此達到安全智慧便利有效率的優質防疫校園。

精油所至,病毒離開 – 利用分子模擬對接技術預測具新冠病毒防護力的精油

本研究使用電腦模擬藥物的對接技術,快速有效的預測新冠肺炎病毒潛力防護精油。第ㄧ階段研究依據化學分子分類蒐集82種精油成份,建立分子結構資料集與新冠肺炎病毒蛋白和人類受體蛋白ACE2共11種蛋白質結構資料集,使用AutoDock Vina 分子模擬對接技術,計算對接能量數值及溫度圖,預測潛力防護精油成分,並探討預測成效。根據對接結果數值,並與目前已發表研究成果交叉比對,預測效果達80%。因此第二階段以30種台灣常見精油之主要成分擴充精油分子資料集,進行分子模擬對接計算,預測具新冠病毒防護力的潛力常見精油。本次科展研究結果所得的潛力防護精油,不僅具深入研究價值,也為後疫情時代提供具高度參考性的生活防疫方式,用以保護我們身邊所愛的家人。

環環相切——三角形中的多「圓」宇宙

本篇主要在探討三角形內多圓連續相切的幾何問題,並將狀況依序分為二、三、四圓,其中完整分析出正三角形及等腰三角形的分割線段長比,而任意三角形則於坐標化後才討論。過程中為更進一步探討任意數量分割圓的性質,我們將三角形其中一頂點置於原點上觀察,以此發現並證明了所有圓心會共同一條拋物線、雙曲線之漸近線通過分割點且垂直底邊、存在公切圓且此圓會過三角形頂點等幾何性質。 此外為求分割點坐標,我們利用內切圓的相關性質得出兩迭代公式,以此解決了原題的一般化情形,而在延伸討論中,我們探討了分別與雙邊及單邊相切的圓,前者為文獻中的「馬爾法蒂問題」,後者我們則是分析「分割中心」的存在性及其所在位置。

廢熱不廢,節能30%靠你了!

本實驗探討如何於居家環境中進行簡易廢熱利用,以達到節能目的—透過熱水降溫時所釋放出來廢熱,提高冷水溫度,並嘗試熱電效應將廢熱轉換成電能利用。 為了達到冷水溫度上升最多且所需時間最少的效果,我們嘗試許多實驗,最終發現利用保麗龍箱減少熱能散失,且使用少量水做為傳熱介質,再加上抽水馬達促進介質的循環效果最好,最高可在30分鐘內節省超過30%的能源。其他嘗試方法大多也能達到至少10%節能效果。若利用熱電效應回收廢熱,受限於熱電晶片現今技術,其回收效率不甚理想,最佳回收率僅約0.2%。 經以上實驗結果可知,在準備烹煮下一餐前,提早約30至90分鐘進行簡單廢熱利用,即有良好節能減碳效果,為環境盡一份心力。

當三角形遇見圓—最大覆蓋率之探討

本作品針對圓覆蓋三角形面積率進行研究,探討不同圓半徑覆蓋於正、等腰三角形,當有最大覆蓋率時,圓心位置或範圍及覆蓋率為何。在正、等腰三角形r≤rI、r≥rO時,利用相似,求出範圍頂點位置及作圖方法;而在正三角形且rI

藉由模具的設計與製作,自製出免插電、水泥製的保冷箱。接著,利用Arduino UNO控制板、Arduino IDE軟體以及溫溼度感測器DHT22,建立了一個簡易的溫溼度感測裝置。此外,在此溫溼度感測裝置的測量下,僅僅400ml的水蒸發,便能使保冷箱內的溫度下降共3.6℃,與當下的室溫比較更是差了4.7℃。

角落生霧

我們由市售的角落生物椅凳,產生好奇心。原本想知道:若將正三角形內部沿著邊長有n個半徑為r的等圓與邊長相切時,邊長與面積與r的關係。後來進而探討正m多邊形每邊內側與n個半徑為r的等圓相切時,此時正多邊形周長S(m,n)及面積A(m,n)的通式。 接著我們將正m邊形的角落削切成為圓弧,形成圓角多邊形,其周長S’(m,n)與面積A’(m,n)的之通式。以數學歸納法證明以上通式,也推導證明S與S’的關係,A與A’的關係。 我們發現相對於變數n而言,S(m,n)與S’(m,n)為兩平行直線;A(m,n)與A’(m,n)為兩拋物線。 藉由給定m及n進行數值分析,針對以正三角形或正四邊形來製作不同半徑之圓角三角形,圓角四角形時,角落削切損失的面積為定值2.05r2與0.86r2等。對於圓角多邊形的削切給予建議。