全國中小學科展

國中組

圓外切多邊形邊延長線的前「式」今生!

1.根據文獻[1]、[2],關於圓外切四邊形一組對角兩頂點和內切圓圓心形成的三角形之心頂點外接圓與該四邊形邊延長線相交產生的線段與邊長關係式,推廣到圓外切n 邊形時,得到漂亮的關係一般式;圓外切n 邊形的n 個心頂點外接圓中,相鄰兩圓間的邊延長線關係式,藉由定義兩圓交點與邊延長線相交的位置關係得到完整的表示。2.由第一代圓外切n 邊形聯想作出第二代圓外切24n − 邊形時,其心頂點外接圓與其各邊延長線交點有共點現象。 3.單一個或任相鄰兩個心頂點外接圓分別與原內切圓的面積(或周長)及特定線段之比值乘積是一個定值(或另一個定值)。 4.推廣到圓外切n 邊形的n 個旁心也得到旁心頂點外接圓相關的邊延長線關係式。

彭羅斯瓷磚之強制匹配費氏拼法及元件數量計算

本研究從彭羅斯瓷磚出發,將飛鏢與風箏沿對稱軸切出角度分別為108˚、36˚、36˚及 36˚、72˚、72˚的等腰三角形,將兩者的短邊設為1分別定義為 A、B元件。拿數量不等的兩種元件拼成與原本元件相似的三角形得出所有腰邊長為𝑥+𝑦𝜑的相似A元件,以及所有腰邊長為𝑥+𝑦𝜑(𝑥≠𝑦+1)的相似B元件,都有辦法利用A、B元件拼貼出來,其中𝑥、𝑦為正整數。 本研究訂定「強制匹配費氏拼法」來拼貼相似A、B元件從而建構出非週期性鑲嵌彭羅斯瓷磚。使用的拼法為後一個圖形是前兩個圖形的組合,且過程中因需符合強制匹配弧線,在拼貼相似B元件時,需將前一個圖形翻轉後再經旋轉將兩個圖形組合。本研究找出拼湊結合時,產生飛鏢與風箏數量的規律推算出總數量的遞迴關係式。

「墊」力人生

多數學生午休曾有腿部產生不適的情形發生,本實驗探討如何改善午休時大腿壓迫產生的不適感,利用三種瑜珈墊做為舒壓墊實測是否有顯著改善不適,並透過數據分析改善腿部不適的因素。 為了解舒壓墊的減壓能力,記錄重物壓在舒壓墊上的形變量,4公分厚TPE形變最明顯;2公分厚NBR形變較大。使用問卷調查法,多數人認為NBR材質較為舒適,NR材質較不舒適,為使結果更接近實際使用情況,我們進一步以手機拍攝兩種舒壓墊形變過程並用Tracker進行分析,試圖找出NBR較舒適的原因,發現NBR的形變軌跡較NR明顯,再利用錶式血壓計來檢測趴睡時下肢在兩種舒壓墊上的壓力分佈及大小,得知NBR的減壓能力比NR更好,因此我們認為舒壓墊的形變軌跡與減壓能力和舒適度有正相關。

隨「波」逐「浪」—探討波浪數列的性質

本研究探討將連續正整數1至𝑛依大小交錯排列所形成的「波浪數列」,其定義如下:除了首項與末項外,每一項皆大於或小於其相鄰兩項。我們分析在最大數為 𝑛 時,波浪數列的各種情形與其在數量上的對應關係,從中歸納出排列的規律,並推導當首項為 𝑘 時的排法總數,進而求出所有波浪數列的排法總數。

心之所「向」—多個旋轉中心旋轉任意點的形心性質

從《虛數:從零開始徹底搞懂虛數 少年伽利略1》中的問題作為出發點,主要探討如何透過簡單的方式證明當給定樹的位置後,絞刑臺的位置不影響樁所形成的寶藏位置。在過程中,發現並證明了旋轉角度改變時,樁所形成的寶藏位置之移動軌跡為圓形。其中不論樹的數量和位置如何改變,皆能利用三角形全等和向量的概念證明樁的所形成的寶藏位置不受絞刑臺位置影響。後來我改變旋轉的程序,在n 棵樹的位置任意與旋轉角度任意的條件下,推得寶藏的位置形成兩個正n 邊形,可用於對寶藏位置進行加密與解密。

現代鬼動風水儀-利用壓電效應偵測並分析風場訊號之研究

看過震動型風力發電機與鬼動草現象後,便思考是否能結合兩者製作出一台「現代鬼動風水儀」? 風經障礙物會因康達效應改變風場,本研究利用壓電效應偵測風在震動裝置後端產生的卡門渦街,藉由分析電訊號偵測不同障礙物所產生的風場。自定義葉片的等效邊長,發現電壓約和等效邊長、平方風速成正比;另外,不同迎風角度、擺設狹縫或遮住半邊葉片都會使pp板產生小波,牛奶瓶紙則是可以建立迎風角度的預測模型。狹縫的電壓放大倍率可用三次函數擬合。遮住半邊葉片時牛奶瓶紙會產生共振放大效應(鬼動現象),而擺設圓柱則會使電壓增強,並且能建立電壓預測模型。 本研究成果可用來製作分析微小風場變化之大數據收集裝置,提供訓練AI及建立新的應用方向。

鳩佔鵲巢巧護食-有限相連環狀排列之探討

本研究旨在探討科學研習月刊62-2期中「鳩佔鵲巢」的問題。首先小斑鳩編號是0,喜鵲編號1、2、3、4、5,沿著圓周排列,探討餵食的順序為選第一隻編號k喜鵲餵食,下一隻被餵食的鳥是由這隻鳥開始,順時針接著沿著圓周數的第k隻鳥。接著編號r喜鵲,再由這隻鳥開始沿著圓周數的第r隻鳥,以此類推。但若餵到編號0斑鳩,會將食物吃光。探討喜鵲n隻,當食物n份、無限多份時,以及當餵食順序為順時針、逆時針交替時,所有喜鵲都吃到食物,其「位置排序」和小鳥數量之間的數學關係。並延伸討論(1)當斑鳩二隻位置相鄰時,(2)當喜鵲吃完一份食物後即飛走時。食物n份、所有喜鵲都吃到食物,其「位置排序」和小鳥數量之間的數學關係。

行人警示系統之開發與研究

台灣近年來,行人與汽機車的交通事故頻傳,我們開始思考是否可以開發出一套行人警示系統,來輔助駕駛了解前方路況,即時提醒駕駛需禮讓行人,同時告知後方來車前方路況,減少追撞事故。我們使用Yolov8進行斑馬線與行人辨識模型的訓練,Python程式執行模型進行物件偵測,Supervision進行區域內物件數量的統計。經由條件設定,判斷車輛前方是否有行人或是斑馬線,若車輛前方有行人,將於影像畫面中顯示警示標語,發出警示語音提醒車內駕駛,降低汽車與行人的事故發生機率,同時送出藍芽訊號使警示燈顯示動態警示燈號,提醒後方駕駛前方路況,降低前車因禮讓行人而被後車追撞的機會。我們已經成功開發出『行人警示系統』,並可成功上路使用。

力拔山河-立體幾何模型與氣體對泡泡薄膜的影響

我們學會使用表面張力儀,也利用天秤自製工具,透過實作驗證溫度影響表面張力,每調製泡泡水皆測液溫及表面張力。將幾何模型由泡泡溶液中提離,模型中出現的薄膜因泡泡液體的表面張力而存在,泡膜間相接觸後會重新分配分子位置利於達穩定且內凹的泡膜型態。不同的速率、不同的方位(點、線、面)將模型拉離泡泡水面,發現點先離開泡泡水的內凹薄膜完整成型率最高,面先離開泡泡水成型率最低,邊數越多的幾何模型中間越不易形成結點或小平面的薄膜。對著泡泡薄膜中間打氣可形成與該模型圖案相近的氣室;可藉由抽氣筒將此氣室內的氣體抽出,並恢復該泡膜無氣室前之型態。若乾燥針尖戳入某一片泡膜,可發現,沒被戳的部分區域的泡膜幾乎可保持原貌。

扎心語錄-三角觀「心」

本研究探討心臟線特定點內接三角形。透過單位圓上的動點,以兩種方法生成心臟線的軌跡,將兩種方法疊合後可得到三個特定點,此三點所形成之三角形稱為心臟線特定點內接三角形。本研究利用相似形做出內接三角形三頂點坐參數式、三邊的直線方程式並觀察直線族形成之包絡線。以幾何軟體展示此三角形之重心、外心、內心和垂心的軌跡並做出軌跡參數式。進而討論四心的極值及其隨著角度變化之移動速率。此外,我們發現此三角形恆為鈍角三角形。最後,給出 此三角形的尤拉線方程式,觀察直線族形成之包絡線,再根據尤拉線特性得 ̅𝐻𝑃3//̅ML, ̅𝐻𝑃3:̅ML=2:1。並發現當內接三角形為等腰三角形時,其高和半底的比為白銀比例。