全國中小學科展

國中組

謎之泡 - 探討母泡產生子泡的機制

想研究為什麼將附著在手上的泡泡往旁邊拉時會產生更小的泡泡。於是利用支撐架來模擬雙手,拉的速度則由砝碼的拉力來控制。 一開始先改變不同的拉力,發現拉力愈大,產生的子泡泡愈大。由高速攝影發現,要產生子泡泡前,母泡泡的曲率半徑開口會先從向外轉成向內,進而與中間段分離。而快速拉動的支撐架時,曲率半徑開口方向轉換的變化使中間段有較多空氣,形成較大的子泡泡。 較小的支撐架,所產生的子泡泡會比較大。原因是小支撐架的分離母泡泡會比較小,使中間段空氣量較多,所以形成的子泡泡也較大。 最後改變溶液的表面張力,發現表面張力愈大,母泡泡曲率半徑的變化越快,產生子泡的時間就會更短,因此子泡泡將隨表面張力變大而體積變小。

魚兒魚兒迷宮游

本研究以選擇適當的魚種,來探討氣味、光色、群體行動、水溫、不同溶液和音頻對魚行動力的影響。我們發現,讓魚持續走在一個同樣的路線,會成為他們短暫的記憶;和大肚魚相比,螢光魚及金魚靈敏許多;飼料比保麗龍味道重,魚的反應也較顯著;在光色測試中,魚在藍色光遊得較快;魚活動雖然以群體為優先,且螢光魚的隊形都維持在一直線上,一起到終點,但是單獨一隻魚行動所費時間最少;雖然水溫度在20°C〜35°C所花時間平均最短,但是15°C〜20°C所費時間卻是逐次縮短;酒精對於魚活動力大幅提升。而食鹽則無太大的影響;聲波能使魚的速度大幅提升;魚的記性並不短,只要走過,也會有印象且游得越來越快。

〝催〞燦晶亮 --- 活性酵母微米晶球的設計

本實驗考慮藥物吞入時極為苦口,但如果利用類似膠囊的原理,更精進將晶球「微米化、可配水喝入、可有效消化、可於胃中緩慢釋出」等功能,進行實驗(以海藻酸鈉濃度、噴入高度、界面活性劑、內含物含量為變因)等,希望在未來生活中,可以利用兩個寶特瓶,將海藻酸鈉加感冒藥物和氯化鈣進行固化作用產生晶球,且利用超音波霧化器將晶球製成微米級,在家感冒時進行DIY製作,並配水喝入,就不會有『苦』的感覺,達到『良藥可口』的效果。

肉多多「攔」水?-星狀仙人掌稜線研究

星狀仙人掌(星球屬 Astrophytum Lem.)可在沙漠生長。真實仙人掌瓣數13,瓣基部厚度1.5 cm,內部集水達96.48%。為探究稜線分布和厚度是否影響攔水量,以tinkercad繪製模型並3D列印稜線瓣數為4、8、12、16,厚度0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 cm的24顆仿生模型,均勻噴水霧量100 ml,讓水沿著仙人掌稜線至根部集水區並測量水量。瓣數16、稜線厚度1.5 cm內部集水佳,可達97.76%。瓣數越多集水愈好,瓣數16者內部集水量皆超過80%。厚度相同,瓣數8的集水量較差,僅60.0%;瓣數16集水量更佳,可達到97.40%。

「氣蓋山河」 --- 氣壓式流化床餵食器的研究

本研究應用流化床以迴風使固體顆粒懸浮的流體原理,改良振動式餵食器,分析粒徑5mm飼料的阻塞因素,發展降塞策略。研究成果有: 1. 阻塞因素是環狀堆積會縮小出口,並促成最密堆積而不易崩落。 2. 飼料桶漏斗提供內側吹風管及中央迴風圓筒,提供向下出料壓力及向上迴風懸浮力,可達最佳出料速率(4940顆BB彈/秒)。 3. 本研究之最佳結構為: a. 圓柱形料桶:直徑12cm,高度30cm,漏斗口直徑2cm。 b. 中央迴風圓筒:直徑6cm,迴風口距漏斗口3cm。 c. 吹風管:水平角度45度、吹口距漏斗口1cm。 4. 出料動力參數為統內顆粒空間密度0.22g/cm3,風速16.7m/s,堆積壓力4g/cm2(5/8筒高)時,可達吹風出料,停風停料的效果。

紅外線體溫量測智慧登錄系統之開發與研究

自從COVID-19疫情爆發以來,學校必須每天監控學生的體溫與身體狀況,花費大量額外的人力與時間。本研究使用Python執行OpenCV程式,來抓取即時影像中學生的學號資訊,執行easyocr判斷學號資訊並比對學生身份,當學生身份確認後,使用Arduino與GY-MCU90615量測學生體溫,將量測到的體溫回傳至Python程式,透過程式將數據進行整合,最後將學生的個人資訊(班級、姓名、座號等)與體溫數值進行登錄後傳至網路平台,產生出體溫監控表單,稱此裝置為『紅外線體溫量測智慧登錄系統』。本研究成功使用(去背+Canny)偵測+彩色辨識的方式,使紅外線體溫量測智慧登錄系統有更佳的辨識成功率與更快的辨識時間,可以快速辨識學生身份,並登錄其體溫,可減少學校防疫的工作量,達到省時省人力的目的。

探討盤頭絨泡黏菌作為黏菌電線(Physarum wires)的特性

本研究探討盤頭絨泡黏菌作為黏菌電線的潛力,利用自製電流檢測裝置繪製伏安特性曲線,結果顯示黏菌電線的電壓與電流高度正相關(r=0.986,p<0.01),且受到連接寬度與溫度的影響,電阻與環境溫度呈中度正相關 (r=0.642, p<0.05),顯示其為非歐姆導體。我們利用4nm的鐵粉及Fe₃O₄餵食黏菌,並記錄黏菌取食後外觀顏色的變化,結果顯示取食後的電流量提高且電阻下降。 黏菌電線具有可變電阻特性可應用於特殊環境或生物感測器,本研究設計黏菌並聯及串聯裝置,且利用溫度與電阻的特性設計溫度感測裝置,成功以黏菌藉溫度來調控LED明亮,展現其在生物感測領域的應用潛力。

埃及分數和為1最優解問題

本作品探討和為1的埃及分數最優解問題,限制分母小於100,項數固定,找出最大分母的最小值。 在研究的過程中,我們發現並没有一個簡潔的公式,可以立即迅速地找出最優解,而是經由不斷地嘗試與比較後,方能得到答案。本研究最後將推導過程歸納為流程圖,試圖建立未來可能演算法的基礎。 本研究主要使用的工具為拆分法,這個方法簡單可行,但容易陷入混亂的情境,有時必須加上巧思,才能獲得進展。在拆分法的基礎上,進一步發展出併合與置換等技巧。策略採取逐項推進,在確定n項的最優解後,再利用拆分或併合或置換,得到n+1項的最優解。 最終,在經由不斷地失敗與再次努力後,完成了項數不超過42的所有解。

模組化海綿千層-打造藍海智慧城市的未來之路

本研究為探討一種新式的工法:模組化多層別道路預鑄法來取代舊有生態工法的可行性評估。這項設計不但能縮短路面施工與維修的時間,減少空氣與噪音汙染,更能兼顧儲水、淨水的優點,最終目標為解決台灣各處常見的淹水與缺水兩大問題。 經由實驗發現,這項設計在儲水與透水兩大功能上的確有顯著的效果;採用麥飯石當作儲水層的話,可得到22.2%的儲水率,也能夠兼具快速的透水與41%的淨水效果。 透過積木模擬與3D建模實驗發現,這個工法可以快速建構道路,也能夠預留空間給水、電等管線使用,機構中我們加入上掀式的鎖牙設計,即便未來需要維修管線也不用開挖馬路,更能保有傳統生態工法的眾多優點,在未來應用上深具潛力。

具備感測器融合之智慧義肢

中華民國在110年3月的統計數據,神經、肌肉、骨骼之移動相關構造及其功能具有障礙之人口共計35.2萬人,他們都可能有需要義肢的需求。傳統的義肢通常具有外觀、方便性、適應性等的問題,使用上也相對吃力且僅能完成一些基本的肢體動作。在我們的研究中,針對了幾點進行設計:具有革命性的義肢功能、方便且易於使用的介面、輕量且美觀的3D列印義肢。 此研究以「上肢義肢」為出發點,做出讓殘疾人士在使用上,更有自主意識操作的智慧義肢。使用者可以在手機藍牙端收到「手指馬達訊號」、「壓力訊號」與「肌電訊號」等資訊,透過以上這些數據,使用者將可以更明確地感受到義肢就像是自己身體的一部分,讓義肢更具人性化與智慧化。