全國中小學科展

國中組

新型態風能共振發電機組開發與設計

我們在生活中有許多共振現象,如:盪鞦韆越盪越高、樓梯旁的欄杆因為風而晃動得越來越快,發出震動的聲響,基於能源轉換,進而開發一款風能共振發電機組。研究分三大部分,首先研究發電機與馬達的科學原理與構造,其二以工程設計軟體RHINO進行3D建模,並導入流體力學的渦漩觀察,能在風場中提升發電效率;其三探究機械結構與風能共振的影響因子,阻風筒、支柱高度、擺盪時的支點比例,達系統效能最佳化。綜上所述,本研究為設計一款提升單位面積發電產能之風力發電機組,透過專題式方法將國中及高中的科學知識進行垂直整合,從而實現創新的綠能科技產品,兼具工程設計及設計藝術學養,具有培育發展綠色能源基礎人才。

追光少女-運用市售創客玩具,自製太陽光源追蹤器的可行性探討

本研究探討改良meArm機械手臂,自製不易傾倒、效能追蹤及發電效率三特質之太陽光源追蹤器的可行性,期待結合太陽軌跡運行模式與光敏電阻降低轉向電能消耗。我們探討感測器、太陽能板及周圍環境如何影響發電 效率。以高亮度LED燈模擬太陽,數位萬用表測量電流及電壓,藉以判斷發電效率。總整超過49種太陽光源追蹤器配置及超過441筆實驗記錄,結果顯示:環境溫度25 ℃以下,太陽能板用塑膠片覆蓋,並以廚房紙巾清潔;配置3個離太陽能板高度0cm,透明膠帶遮蓋的光敏電阻,發電效率最佳。本研究成功運用市售創客玩具自製太陽光源追蹤器。應用於非中午時段的戶外,可較固定式太陽能板增加約2 0~40%的發電量,期待藉此激盪人們關注提升太陽能發電效率的方式。

白浪滔滔我不怕-消波塊與海岸保護

本研究透過3D列印製作消波塊與自製造浪機,並用海浪沖刷粉筆模擬岸邊侵蝕效果,尋找減緩海浪岸侵蝕方法。 本研究製作兩種造浪機。大型版:壓克力板製水缸,用活塞推動造浪板,因漏水問題,改良小型版;小型版:採現成魚缸、TT馬達配合連桿帶動造浪板。小型版波形更流暢。 首先,確定粉筆泡水25分後重量趨穩定;在單排測試中,林克塊減浪效果最佳。實驗亦發現消波塊離岸越近、裸露體積越多,減浪效果越好。增加排數方面,小浪排數越多效果越佳,大浪下則需至少兩排以上才具顯著效果,綜合成本與效益,建議使用兩排設計。 針對家鄉情境,設計A至D四種配置,D型適合冬季東北季風大浪條件,如東北向海岸;C型則適用於港口等平靜海面。

「麵麵」俱到—探討影響麵團韌性與彈性之不同因素

為揭開「為何有的麵團彈牙、有的卻軟趴趴」的謎團,從發酵時間下手,結果發現時間越長,彈性和韌性就像漏氣的氣球般漸漸消失。那加多一點酵母呢?實驗後麵團反而更無力,像睡過頭一樣軟趴趴,我們驚覺,發酵速率才是關鍵! 轉向冷藏發酵,意外發現經過低溫「歷練」後的麵團更有韌性。接著加小蘇打,結果像打散的沙堡,彈性全失,推測是麵團原本的結構被破壞。 於是我們改走「澱粉之路」,發現加入富含支鏈澱粉的糯米就像讓麵團裝上彈性肌肉,彈性與韌性大大提升!而後經多次實驗調整比例,成功找到最佳配方。 最後設計「嚼勁實驗」,結果證實彈性與韌性與實際咀嚼感呈正相關。我們也將持續探索這條「麵團之路」,發掘更多有料又好咬的美味秘密!

正多邊形的左右逢圓

從一題關於任意三角形兩邊外接正方形的國中練習題出發,利用全等三角形及對頂角性質求出兩線段夾角。後來發現原題的線段夾角與兩邊外接之正多邊形內角相等,且與原三角形頂角無關。在原題目圖形中,我們也發現共圓的性質,進而可以將A點與P點看成是兩圓相交的兩交點,從中得到共線性質。在原三角形兩邊的正多邊形中,有規律的線段交點,竟然是同一個點,進而推廣出任意直線的夾角公式。原三角形若為等腰三角形,則兩邊外接任意不同邊數的正多邊形,其特定直線的夾角公式。當兩正多邊形有一邊重合時,我們也得到其兩不同邊數之正多邊形特定直線夾角的各種公式與性質。

探討影響跳舞草側葉擺動的機制

本研究以跳舞草與動物互動的演化關係,探討影響跳舞草側葉擺動因素,了解其小葉擺動背後的機制與生物意義。我們針對光照、音頻、溫度、電流干擾及大葉處理等條件進行實驗設計,亦使用自製的植物電壓感測器測量電位變化。結果顯示,跳舞草小葉在溫暖、光照充足、高頻音環境條件下,擺動速度加快、振幅增大。進一步分析顯示,小葉擺動與葉枕的電位變化有相關,且外加電流會干擾使其擺動速率變慢。大葉遮光會降低小葉擺動速率,而摘除大葉則會提升擺動速度。綜合實驗結果,推測跳舞草的擺動機制除受環境影響外,也是一種生物演化策略,用以模擬昆蟲活動以吸引掠食性動物,有助於驅離害蟲。且進一步揭示跳舞草葉片運動的電生理基礎與可能的生態意涵。

軟的真的軟嗎? 轉速穩住了彈性圓環的飛行軌跡

本研究探討旋轉對彈性圓環飛行軌跡的影響,並以橡皮筋為實驗材料,主要結論如下:一、橡皮筋的伸長量與所受外力約成正比。二、彈性係數較高的橡皮筋,特定範圍內的位能-動能轉換比例較高。三、彈性係數愈高的橡皮筋,彈射時的轉速與前進速率愈大。四、伸長量固定之下,提高旋轉量不會增加橡皮筋彈射速率,但會增加轉速,穩定彈射軌跡並增加彈射距離,且旋轉量愈大,水平距離愈遠。五、旋轉造成橡皮筋彈射具有穩定形狀,特定伸長量與旋轉量進一步使橡皮筋彈射出現攻角導致軌跡上升,也降低速度衰減,明顯提升彈射距離 (超過40%)。

十字路口人車碰撞預測之研究

本研究探討如何利用電腦視覺技術預測十字路口行人與車輛碰撞風險,提升交通安全,採用YOLO物件偵測與運動追蹤技術,分析監控影像,透過LSTM 進行時間序列預測,評估可能的碰撞風險。研究先進行影像標註與資料處理,提升自訂物件偵測能力:偵測行人與車輛和追蹤其移動軌跡,建立LSTM預測分類模型,學習運動模式以預測碰撞風險。研究設計先用小球碰撞實驗模擬真實交通場景,訓練模型預測碰撞風險,並透過驗證分析調整參數,再進行實際路口影像處理。結果顯示能預測未來2秒碰撞風險的準確率達73%以上,還可以持續改進,提升精準度。未來,本研究可結合智慧交通管理與車聯網,提升道路安全並減少碰撞事故。

智慧校園GO:走得對、聞得出、看得清,安全上學好放心

本研究開發「智慧校園GO」網頁系統,平時提供校園三種策略導引(最短路徑/最低打擾/無障礙路線)功能,當遇上校園霸凌、學生群聚、火災、菸害、陌生訪客闖入監控等緊急事件,則啟動Level 0(最低)到Level 2(最高)的警報分級,通報相關人員、紀錄當下影像或數據,規劃「無障礙」或「最短路徑」進行即時處置。系統採響應式介面(模式切換、模糊搜尋)、地圖箭頭顯示,樓層動畫與實景照片呈現,支援自動起點及模擬定位。後端整合ESP32感測、YOLO 影像辨識,以Dijkstra演算規畫路徑。實測顯示,霸凌警示準確率95%、群聚辨識正確率92%,介面易用性取得4.1/5的分數,而「影像辨識偵測行為」功能取得4.7/5的高分肯定,展現智慧校園GO系統於即時警示與校園安全的實用價值。

進化吧!種子炸彈-種子球成分之研究及改良

本研究探討種子球可應用在災後裸露坡地之植被復育。初期配方採培養土和黏質土進行初步實驗,後針對0403 地震裸露坡地的狀態,故改良種子球成分目的提升保水性與黏著性。研究發現土壤添加天然聚合物於前三日均能提升種子球之保水力,土壤加入海藻酸鈉(SA0.5)後水分保留能力顯著,3天內保水度較對照組差異達9.32%,5天內差異達2.55%。土壤濕度最高時,海藻酸鈉配方(SA0.8)黏著性表現出色可承重達150公克。此外,海藻酸鈉與甲基纖維素 (SA+MC)混合配方在黏著度上亦有出色表現,適用於坡度較陡或岩石較多的裸露坡地進行種子球投擲。本實驗之 種子球改良配方,有助於提升偏遠或難以到達的山林地植被之恢復效率,針對災後環境修復或可提供解方。