全國中小學科展

佳作

一次加入偶數個相同數之M&m數列穩定性探討

本研究針對M&m 數列在未穩定前有一半的中位數是來自於兩數相加除以2,致使數列在穩定性上不易有明確的規律,在不改變數列的運算規則下,我們改以每一次加入偶數個或更多個相同數的做法,探討能否加快M&m數列的穩定速度?並利用已知的原數列數字間的差距比例來找出穩定次數及穩定值的數學規律性。當原數列為2k+1項,每一次加入N個相同數,我們得出研究結果: 若N為偶數(N2k+1 中位數與左、右兩邊數字差距和相等,則穩定次數=1,穩定值為原數列中位數。 中位數與左、右兩邊數字差距和不相等,則穩定次數=3,穩定值為數列所加入的第一組相同數字。

開不開,有學問-皮鞋開瓶塞研究

一則網路影片用皮鞋開酒瓶塞,引起我們的好奇,背後的原理和影響因素是什麼?經討論及資料蒐集,設計實驗並自製撞擊器來控制撞擊力,希望找出原理和影響的因素。發現:撞擊力須透過液體傳遞,且液體量要足夠;撞擊頻率高有較佳的瓶塞移動效率;撞擊力傳遞至瓶塞須大於瓶塞及瓶口間的阻力才能使瓶塞移動;瓶身角度須水平置放;墊子的緩衝性太好會吸收撞擊力,可能無法克服瓶塞的摩擦力;不同材質及不同表面性質的瓶塞會影響瓶塞移動的成功率;容易產生氣泡的液體,瓶塞移動成功率較好,黏滯性高的液體則較差。瓶塞移動的主要因素是靠撞擊力的傳遞來推動瓶塞,可以用流體力學的白努利定律來分析,而空蝕現象的發生則有助於瓶塞的移動。

礦物自發性長晶現象與BHR機制之探討

“Spontaneous Growth of One-Dimensional Nanostructures from Films in Ambient Atmosphere at Room Temperature: ZnO and TiO2”( Shou-Yi Chang等人)在2011年發表的文獻中,提出一種新的生長奈米結構的方法-BHR(bond breaking-hydrolysis-reconstruction)機制,結合了應力和水氣可讓金屬氧化物自發性成長並長出一維奈米結構的氧化物。石膏晶體在自然界中生成的條件與水有關係,藉由進行硫酸鈣水化實驗驗證此現象,以濕度和放置時間作為控制變因,觀察到生成晶體的長度與溼度、放置時間有關,濕度越高、放置時間越長,所得的晶體尺寸越大且晶體形狀越明顯。透過BHR作用在花崗岩表面,發現表面生成的晶體尺寸與溼度、放置時間有關,濕度越高、放置時間越長,所生成的晶體尺寸越大,認為自然界中的矽酸鹽礦物有可能透過BHR作用進行生長,印證地球科學對紫水晶形成的理論不一定正確。

氣動式軟型人工肌肉機器手~自製復健輔具

「氣動式軟型人工肌肉機器手自製復健輔具」以氣體當作動力,且以矽橡膠作為承受載具,結合纖維增強結構設計,當矽橡膠載具空腔充氣後,造成特定應用要求方向的彎曲,模擬帶動手部肌肉重複運動狀態,達到手部的復健效果。 我們開發了柔性氣動制動器的簡單製造方法及便利的測量系統,如柔性氣動制動器加氣壓時產生力曲率半徑,扭曲,延伸軌跡和制動期間的輸出表徴。為了操作模擬柔軟的機器手套,設計人工操作氣壓控制系統,包括氣壓分流閥和閉環調控閥以調節壓力,而設計了柔軟機器手復健手套的系統雛型。 根據熱能鬆筯的生活觀察,結合遠紅外線加熱纖維布及自製多型柔性氣動彎曲制動器,製作了第一款方便可攜式柔軟並加熱的軟性機器手復健手套系統。

石墨烯微生物燃料電池綠能研究

本研究利用石墨烯高導電、高表面積等特性製成碳布電極,並研發出具高電子轉換效率的EDTA˙Fe3+作為觸媒,成功開發出新型微生物燃料電池。將自製的石墨烯以Polypyrrole固定修飾在碳布表面,取五片此修飾碳布作為陽極電極,陰極則為兩片未經修飾之碳布。利用食品級酵母菌在陽極槽對葡萄糖行厭氧氧化反應,產生的電子經外部導線抵達陰極,利用陰極槽EDTA˙Fe3+與EDTA˙Fe2+間快速轉換,提升電流值。 實驗結果顯示單顆電池電壓即可高達0.7 V,電流則達323μA,電池續航力高達兩小時,較傳統的微生物燃料電池電壓0.35~0.5V高出許多,且具有低汙染及低成本等特性,另外我們研發出的無毒陰極修飾劑EDTA˙Fe3+更符合綠色能源的概念,可望未來能將本實驗微生物燃料電池應用於農牧業的燈具。

蓬『管』生輝–綠能導光管之應用研究

我們提出一套環保導光系統,能有效收集屋外的太陽光,並將收集之太陽光傳遞至屋內,同時證實太陽光可透過導光管的引導,輔助室內照明之利用。本系統分集光與導光兩部分,在集光部份,我們提出二種方法,一、利用裝水的寶特瓶放在導光管上方聚光;二、在廢棄的碟形天線貼上鏡子,加上放大鏡聚光,可以大幅提升入射光的強度達24倍之多。在導光部分,我們提出實心導光管光纖及空心導光管L型、S型導光結構建置,空心導光管內鋪設鋁箔貼紙、烤肉用鋁箔的反光材質,並在轉彎處貼附鏡子或反光片就可大幅提升導光效果。台灣日照率高,我們利用生活中的環保材質將取之不盡用之不竭的『陽光』導入室內,為全球暖化問題盡一份力量,達到節能減碳之目的。

車內生物緊急救援車聯網系統

本作品是一個結合車聯網的車內的安全裝置,裝置會在引擎熄火且車門上鎖時,監測車內溫度、二氧化碳濃度,當超過安全值時,會發出警報、搖下車窗,並傳送緊急訊息通知車主,以利救援車內人員。 本作品能藉由網際網路與車主行動裝置連結,車主不只能透過行動裝置查看車內各項數值,車主也可以透過行動裝置控制車窗,未來更能與車商配合,整合至汽車嵌入式電腦,便可以實現更多功能。 汽車的發展為人類帶來了便捷的交通,但是多數人注重駕駛中的安全性,卻疏忽了熄火後車內的安全,每年都會有人在車內缺氧或熱衰竭而喪命,為了防止這樣的不幸再發生,而投入車內主動安全系統。

絕「簇」逢生---探討蠶豆及秋海棠形成氣孔簇的環境適應現象

本研究觀察秋海棠葉片的氣孔簇發現,在土壤溼度低的環境能誘發秋海棠(Begonia grandis)葉片出現氣孔簇,因此推測氣孔簇特徵是某些植物為適應乾旱環境所表現的策略。此外,觀察蠶豆(Vicia faba)的氣孔簇,其型態雖異於秋海棠,但在乾旱條件下(澆水量10mL/天),氣孔簇數量也會增加,直至適應缺水環境為止。因此,推論氣孔簇的出現是某些植物節流的共同策略。氣孔簇的特殊形態讓植物不致於因缺水而關閉氣孔,導致無法進行光合作用,如此可增強植物適應乾旱環境的能力。

臨風「愈速」-馬格努斯風力車之探究

馬格努斯效應是一種原理簡單,廣泛應用在球類運動以及日常生活中的物理現象。透過馬格努斯風力車的探究過程,我們理解到:除了風速和滾筒轉速之外,滾筒本身的表面積、造型、質量、表面摩擦力、傾斜角、受風角…等都是影響馬格努斯風力車動力性能的重要因素。此外,在提升馬格努斯風力車動力性能的實驗方面,「單一馬達帶動多滾筒」以及「前側導流翼」的裝設都是相當可行的設計方案。

以測謊技術偵測環境影響學生閱讀專注力(終級書齋)

本研究目的在研製皮膚電阻及心跳影響閱讀專注力偵測系統,以及分析環境噪音及溫、濕度對閱讀專注力之生理感知與舒適度。採用實驗研究法,首先針對量測數據進行校正,確保本系統能符合信度與效度之信賴水準。徵選有意願參與本研究之三位高職二年級學生為受試樣本,在閱讀「數學」科目下,調節環境聲音及溫、濕度,記錄受試者自律神經作用下引起皮膚電阻及心跳等生理變化。根據研究目的,獲致研究結果如下:(1)指尖皮膚電阻變大,表示閱讀專注力較佳,反之則呈現緊張的情緒;(2)心跳振幅越大,則情緒表現安定;反之則緊張;(3)闔眼後再接受本實驗所偵測之閱讀專注力比較佳。