全國中小學科展

生活與應用科學科

站在Escher的肩膀上──平面及空間中的密鋪圖形設計

本研究以荷蘭籍的藝術家M.C. Escher繪製的密鋪圖樣作為出發點,接著研究以正三角形、正方形和正六邊形為基本單位的磁磚設計方法。首先利用4種等量變換(Isometry)推論出三種基本形狀分別有4、5、7種邊作用方式,再利用「群」(Group)表示邊作用,進一步窮舉出可密鋪的設計方法分別為3、10、4種。配合上述理論,找出一套演算法判定磁磚之密鋪性以及密鋪類型。再者,探討將邊封閉而形成有限平面的「窗框」系列磁磚密鋪的特性;接著延伸到有限曲面上,如:環面、圓柱曲面及著名的莫比紙圈,並找出製圖方法;再拓展到空間中,對正多面體,以及利用正立方體為單位,進行立體的密鋪;再透過程式構築一個更為簡易的分析平台。利用上述的結論,學習者可以輕鬆製作新圖樣。

降落傘歷險記-看誰的降落傘飛得穩飛得久

美國「精神號」及「機會號」降落火星表面的電視轉播過程、電視頻道所播出的降落傘小故事,都讓我們對降落傘產生了很大的興趣,再加上我們在三年級學過空氣的對流,我們就在想:降落傘上的那一個小孔是不是也跟空氣的對流有關呢?開了孔的降落傘是不是比沒有開孔的降落傘可以飛得更久、更穩定呢?於是我們以之前所學到的科學知識一步步探求影響降落傘降落的因素,也以電腦課所學到的圖表製作,將實驗數據以圖表方式呈現並進行分析。此外,我們也依據降落傘原理與實驗結果進一步進行實驗,希望能找到適合運用於緊急逃生的降落傘。

別讓風兒就這樣溜走

一、每年秋、冬二季,沿海漁村東北季風強勁,令人非常難受。二、研究利用風力來發電,製造無污染的能源。三、利用簡易的「電動機和發電機」是一體兩面的原理,因此我們以直流電馬達做成的風扇來當「風力發電機」。四、電的傳輸通常需要電線,電線難免要接續,而電線接續的方式,會影響電能的傳輸情形。

能源的有效利用

能源費用約佔電爐煉鋼業之加工成本中的三分之一,不但直接影響到煉鋼業之生存與獲利,同時如何有效利用能源應為缺乏能源之台灣更努力的方向。本實驗的目的就在探討有效利用煉鋼作業中排放之熱氣來預熱廢鐵(廢熱回收)之方式及其效果。礙於實際操作之費用過於龐大,且基於冰塊由 0 ℃至沸騰所需之熱量和廢鐵由室溫至熔解所需之熱量幾乎一樣。因此利用冰塊及沸水來模擬電爐之熔煉作業中之廢鐵及鋼水,並藉固定加熱能力之家用電碗模擬電爐。經數次不同之實驗結果,得以比較出最佳的廢鐵預熱方式為連續性的預熱及加料,不但可以節省能源的耗費達 28.4%而且進一步縮短熔煉時間達 28.26%,對降低成本及增加產能均有甚大的助益。

符合風景照片觀看感覺之音樂產生器

本研究結合文獻資料及個人創意,探討圖片轉換音樂的可能性。由本研究撰寫而成的軟體,可藉由使用者的問答,及圖片特徵的擷取,搭配建構好的樂句資料庫,成功產生具有悅耳性、圖片貼切性的創新音樂。

炸不炸,有關係;酸不酸,大問題

本實驗主要比較不同情況下油脂酸價變化情形。研究內容可分為兩大部分,第一部份先研究環境對油酸價之影響,發現水分的存在對酸價的影響很大;再來為連續加熱各種油脂八小時,以了解加熱時間對酸價之影響。這個部分我們使用了花生油、芥花油、橄欖葵花油、好理油、清香油、大豆油、豬油、豬油加大豆油等八種油樣,其中動物油普遍酸價皆較植物油高,加熱過程中多數油脂之酸價先下降再微幅上升,在第二小時及第六小時的時候,部分油脂會出現明顯的變化。將此油脂再重複加熱八小時,可發現部分油脂之酸價有大幅度變化,其中以動物油酸價變化幅度較小,表現良好。第二部分則探討實際油炸過程中酸價之變化。先使用大豆油炸香雞排、草蝦、高麗菜、花椰菜等物,發現不同油炸物對酸價影響極大,尤以香雞排對酸價的影響最為明顯。再改以清香油、大豆油、豬油、豬油加大豆油等油炸香雞排,其中清香油表現搶眼,油炸過程中酸價變化最小,豬油之酸價則大幅上升,但豬油加大豆油之酸價則介於豬油跟大豆油之中。根據加熱實驗不易預測實際油炸情況,動物油在加熱時表現穩定,但油炸卻變化大。因此建議動物油最好用來做食物之烹煮調理,而非油炸,或至少要做到炸但不重複使用;植物油亦同,如要油炸,最好只使用一次,但後續可再重複利用烹煮食物。清香油在油炸跟加熱都表現很好,如不考慮價錢因素,為最建議之油炸用油。

超不炫!抗眩膜的研究

一般陰極射線管(CRT)的電視螢幕易造成光線的反射強度過強 (如圖1-1) ,可看到天花板的日光燈;所以在外部光線很大時,會因刺眼而看不清楚螢幕的影像。但經過表面霧化處理的液晶螢幕,就可以使入射光源產生散射現象,光源分散的效果,進而達到抗眩的效果(如圖1-2),便看不到天花板的日光燈。而表面霧化處理,指的就是在螢幕上貼合一張含奈米粒子或微米粒子的薄膜。本實驗利用實驗計劃法設計,首先合成出奈米粒子之後利用塗佈、光聚合的方式(高中化學下第八章),形成一張抗眩效果的薄膜;再利用光學反射原理(高中物理上15-17章)測量薄膜的眩光度;眩光度大表示眼睛會感到不適,螢幕不眩光表示較佳。根據實驗結果,發現粒子添加的多寡與粒徑大小是決定眩光度好與壞的主要因素。

不用加油的車子

五下自然課本(康軒版)第二單元電磁鐵與電動機中,提到「電能」能透過線 圈轉成「磁能」,產生磁力再轉變成「動能」使東西移動,於是激起我們想研究利用 由電能→磁能→動能,使車子移動的念頭,透過大家搜集資料、實際操作實驗後, 發現了以下的結果: 一、 磁浮車就是利用電與磁的交互作用使車體前進、後退,但這是須要非常強大的 磁力,其最有效的方式則是以電磁鐵作為磁力的來源。 為了避免能量的損失,還須要以沒有電阻的超導體,來達成高效率的能量傳導。 二、 日本的磁浮車就是利用線型馬達使車子前進 ,但車子必須滑行到一定的速度才 會飄浮,所以車底裝置車輪作為車子啟動及緊急煞車的輔助。 三、 目前我們無法使用超導體來傳導的高能量,於是改採以電磁鐵製成的簡易馬達, 加裝車輪使車子前進,希望將來能研發出屬於我們自己的磁浮車。

轉彎有道理

自從捷克小說《羅薩姆的萬能機器人》提出「Robot」這個詞彙之後,機器人已經成為常見的小說、電影題材,機器人在生活中的應用成為今天的重點產業,已經廣泛應用在工業自動化、軍事方面,機器人也逐漸走入家庭,無論是應用在哪方面,都必須解決如何定位(Localization)機器人的問題。為了解決這格問題,目前已經發展了GPS等方式「直接提供座標」來定位機器人。若機器人沒有定位器的輔助下,只能在機器人位置的觀點蒐集數據,其中機器視覺建構地圖(map building)是透過機器視覺的分析來建立周邊地圖,是一種常見的解決方案。這裡我們更進一步,進行只讓機器人擁有羅盤感應器和閉路伺服馬達的條件下的研究。

都市陽台種菜系統開發-氣霧栽培法的研究

蔬菜成長需要陽光、水、營養素,本研究主要實驗設計有: 1. 栽植箱的設計-屋頂形設計使蔬菜栽種面積增加、栽植盆與水管栽植管的設計使蔬菜能夠直立放置。 2. 噴霧與水回存系統的設計-自尋噴霧頭、塑膠管連接器、外掛式馬達、定時開關器組成噴霧與水回存系統,可節省人力與水源。 3. 開發蔬菜營養液配方-搭配黑糖與切掉不要的蔬菜以1:10的比例混合後獲取營養液,再將營養液稀釋500倍,噴灑於蔬菜根部可促進蔬菜成長。 實驗後發現可以在陽台或屋頂成功的種植菊苣、辣椒、茄子、萵苣等蔬菜,並將產量提升2~4倍,節省25.2~37.6%的水源,另外搭配自製的營養液可以讓蔬菜成長時間只需要土耕的70%,希望我們的研究可以讓地小人廣的都市小家庭能擁有自己的開心農場。