全國中小學科展

國小組

騎士變奏曲

騎士過城堡是一款棋盤模式的電腦遊戲,棋盤是由14格棋盤格組成之圖形,以騎士棋的斜日式走法,選擇棋盤格上的任意棋盤格作起點,跳完棋盤格上的14格棋盤格,每個棋盤格子僅能跳一次,跳完全部棋盤格回到起點即過過關。研究動機是希望能找出符合過關條件的其他棋盤格圖形以增加遊戲樂趣。研究目的在5X5與6X6的棋盤格範圍內,探討以「基礎圖形擴張法」找出其延伸的棋盤格圖形,與圖形中具多條可解路徑之規律性。研究過程中下指令Chatgpt生成Python程式碼,跑出基礎圖形延伸之棋盤格路徑。研究結果在5X5以8格基礎圖形其延伸圖形有14個、5X5與6X6以6格基礎圖形其延伸圖形分別有306與14535個,而圖形的中多條可解路徑由1-多條主迴圈與1-2條次迴圈所構成之規律性。

正多邊形平行封閉鍊接結構之研究

本研究探討n個邊長分別為1、2、…、n的正方形鍊接成平行封閉結構的存在性與方法透過「 任意值矩形頂點配對法」可成功鍊接;任意數列的正方形組也可成功,最快速的是「最大值矩形頂點配對法」。 推廣至正多邊形正偶邊形透過「對角線重合法」,正奇邊形透過「對角線重合法」搭配「對角線與邊重合法」,每邊可互相平行;將n個正多邊形放置在對角線連線成的平行四邊形,利用n值特性「4k、4k+1、4k+2、4k+3」分類頂點位置結合「單向複雜形平行結構」邊長和的差為1或2可透過對角線「中心」或「端點」出發的「最大值平行四邊形頂點配對法」鍊接 。 最後得到最大及最小完全覆蓋矩形鍊接法,並推得鍊接正方形內部封閉面積公式。

步步高昇~爬樓梯機器人的終極奧義

我們嘗試要設計一個能夠爬樓梯的機器人,在有一項比賽時,看到了有些人前腳像輪子一樣快速地爬上去。因此,我們這組就想要研究~怎樣讓我們的機器人爬得更快。研究結果發現: 一、前腳長度>樓梯的踢面高度高約1.5公分~3.5公分,機器人能順利爬樓梯。 二、前腳越長扭力小,前腳越短,扭力大。 三、前腳加寬轉軸為5公分,爬樓梯速率變快。 四、以桌球皮黏在抓夾上,爬樓梯速度最快。 五、同樣的齒輪比,前腳越長扭力越大,前腳越短,扭力愈小。 六、底座變寬,能減少機器人翻倒次數。 七、當踢面高度變為原來2倍時,爬樓梯速率降為為原1/2。 八、自行研發低重心機型爬樓梯速率最快,原先比賽齒輪盒改良機型速率最慢。 九、獲致爬樓梯機器人最佳結構。

「爆粒」美學—以AI探討爆米花脆感測量與提升之研究

為尋找兼具「酥脆」與「軟韌」多層次口感的爆米花製作方法,我們自製了標準化脆裂度測試儀、觀察碎片飛行方向與距離的靶紙,並使用人工智慧技術與視覺化統計方法,來研製最佳的烹飪方法。實驗中歸納發現以450 度作為烹飪溫度時,若一口咬下爆米花所產生的碎片在口中飛行距離約1.7cm,碎片截面積大致是0.65 cm2、且碎片數量為八片左右,則可獲得較酥脆的口感。反之,若一口咬下的碎片大於原始面積的25%且在口中飛行約1.2cm,則能獲得較軟韌的口感。而在這烹飪手法下放置三分鐘再食用,則更能獲得層次豐富、酥脆軟韌交會的口感。實驗中我們還發現了能將「脆」與「韌」的統計差異性視覺化的「體積飛行球」工具,它能幫助我們直接「觀察」到何謂好吃的爆米花!

義大利麵之扭力係數與組合構造相關性研究

扭轉與斷裂過程在自然界中無處不在,從不同的剛性材料之耐震特性至飲食中的麵體筋道口感。我們觀察到市售義大利麵標示不同快煮時間,從而研究其麵體之不同組合構造:如細麵所接合而成之雙棍、三角、與四面型麵體,是否導致不同的扭力係數;同時,並自製一套扭力係數測量設備,研究其扭力係數與麵體長度、組合構造之關係,並以玉米纖維(PLA)材料3D列印不同的組合構造之細線,以驗證實驗結果;進而發現扭力係數隨組合數增加而增加,麵體扭力量測與斷裂極限約在總長1/3處,呼應了著名物理學家理查·費曼所觀察義大利麵總在施力下斷裂成三塊之世紀未解之謎。藉由本次實驗模型與分析技術之建立,相信可在未來提供更豐富的力學研究課題與更廣闊的研究前景。

真「象」原來如「齒」–澎湖水道動物群古菱齒象牙齒化石探索

化石在地球上是珍稀的寶藏,特別是大型脊椎動物的化石。我們以澎湖水道動物群的古菱齒象為科展主題,通過比較觀察古菱齒象的牙齒化石形態特徵,特別是齒面、齒板,發展出了可以簡單量測齒板厚度、間隔距離、齒板密度,結合觀察並判斷其是古菱齒象的方法。我們希望了解化石是怎麼形成的,通過進行埋藏實驗,探索化石埋藏的環境(熱帶淺土、深土、淺水、深水)及埋藏的深度對樣品保存的影響,並培養和觀察起主要分解作用的生物。我們實驗發現在熱帶環境要形成化石極其困難,深水的環境比較有利生物樣品的保存。我們非常好奇巨大的古象1萬多年前還有,為什麼隨後它們會滅絕?我們最後討論古象的滅絕和全球環境氣候變遷可能存在的關係。

繩奇摩力步步升

自然老師在力與運動的課堂上進行科學展示,在繩子上裝紙片拉一拉就往上跑,到底是什麼原因?充滿好奇的我,呼朋引伴進行實驗討論,我們改變拉繩的距離、拉繩的頻率、不同的爬繩長度、不同材質的繩子、紙盒重量不同、吸管角度不同、吸管長度不同和紙盒裝上不同粗細吸管,實驗結果都會影響繩子與吸管之間產生的摩擦力。但相同材質不同粗細的棉繩在實驗結果上沒有明顯差異性,是一種意外的發現。 原來當一位科學家不難,只要把生活中的細節都當作探索,是可以累積很特別的學習經驗,並應用在生活中就是加分,這次實驗如果可應用在疫情下往高處輸送糧食、補給品,又可以幫助更多的人。也是使我們進步的動力來源,科學始終來自於人性。

香蕉皮的綠色守護者~以香蕉皮製作環保抑菌膜

台灣素有”香蕉王國”的美譽,香蕉的產量很高,相對地也產生大量沒有使用價值的果皮。我們從文獻中得知被認為没有價值的香蕉皮,其實富含有許多化學物質,其中單寧酸除了具有抑制細菌生長的功能外,也能作為抗氧化劑,甚至有幫助人體細胞對抗新冠病毒的功效。 本研究以香蕉皮來萃取出單寧酸再烘乾製作成抑菌膜,結果顯示未成熟香蕉皮中含有的單寧酸高達5.59 mM,並在大腸桿菌抑菌試驗中呈現出抑菌圈,製作成膠膜後顯現出較高的抗拉伸試驗為成熟的香蕉皮膠膜,抗拉伸力為136.31g。本研究成果可以為改善廢物處理方式、減少碳足跡、提高社會衛生水準等方面,實踐環保及社會責任作出積極的努力。這種創新的環保技術有助於人們更加關注永續發展,為地球帶來更美好的未來。

潛水艇的潛水功能之設計與探討

國造潛水艇正緊鑼密鼓的進行中,我們藉由很多國家的協助才有辦法建造,我們想透過實作來了解潛水艇設計上的困難。我們的目標就是想做出一台可以透過遙控的方式,讓潛水艇可以從水面潛到水面下,再從水底浮出水面的裝置。經過文獻查找,這是利用改變機器的密度來控制的,其中有分成改變重量或改變體積。當決定方向後,從選用適當的外盒,一直到實驗過程中發現有一些一開始我們沒有想到的問題。在改變密度的過程中,有彈性的容器很容易因為操作的方式改變了它的體積,變成很難操控它的密度。最後,我們還是成功的製作出可以透過遙控而讓機器沉與浮的裝置。藉由這次的體驗,更進一步的了解到為什麼做一台潛水艇是一件難度很高的事情。

彈止之間~流體對水瓶彈跳高度的影響

本研究主要探討水瓶自高處落下時,瓶內流體如何影響水瓶彈跳,我們自製跳台和彈跳瓶進行實驗,並改進測量精度,找到水瓶落地造成水彈起、瓶靜止的變因條件。研究結果如下:一、瓶內流體的流動,依過程共分為整體、分離、轉換、恢復等四個時期。二、流體進入轉換期,會將水瓶位能轉換成流體動能,主要跟碰撞時的液面曲度、水量、和液體黏度有關。三、旋轉水瓶會改變水面曲度,讓水在碰撞時產生更強的水柱。四、100g水瓶轉速大於臨界值300RPM時,彈跳次數只剩1次,水瓶落地接近完全非彈性碰撞。五、加入和空瓶等重的水時,質心高度最低,影響彈跳效果越明顯。六、液體黏度會影響瓶子彈跳,黏度較高,甘油瓶彈跳次數可達到5次,黏度較低只有2次。