全國中小學科展

佳作

見『微』知『塑』

本研究首次大規模作中部地區海水、海砂(土)、牡蠣及文蛤微塑膠定量及定性研究,探討變因、自製可普及化的螢光顯微鏡實驗設備及找出日常可去除微塑膠的方法。 以自製設備搭配解剖顯微鏡取代螢光顯微鏡,作為微塑膠螢光染色檢測。以FTIR檢測中部地區微塑膠種類以PE及Nylon為主。海水微塑膠含量變因為海流及風;地區因地形阻隔及人類活動影響微塑膠含量。海砂(土)微塑膠含量跟海水沉積、人類活動及土壤吸附力有關。牡蠣中微塑膠變化和其生長趨勢及海水微塑膠含量成正相關。文蛤微塑膠含量和養殖池養殖方法有關。 文蛤以鹽水吐砂可減少微塑膠;用餐時將油層撈除可去除微塑膠。針對海水上層撈除及在溪流製造泡泡牆產生向上水流,皆可讓微塑膠引導去除。

兩相異直線均分三角形與四邊形的面積

本研究推廣古老的數學問題「Quadrisection Problem」,2018 年 Carl Eberhart 曾針對此問題進行探討,給出兩條垂直線將任意 △ABC 的面積四等分的解。 我們沒有設定兩相異直線必須垂直。由於兩相異直線至少將任意三角形分割成三塊區域,至多分割成四塊區域,所以我們先探討兩直線三等分三角形,再繼續研究四等分三角形,最後給出完整分割的圖樣與方法,並且給出四等分面積的充要條件。第二,我們繼續推廣到任意凸四邊形與凹四邊形,證明了對於所有凸四邊形與凹四邊形必存在四等分面積的分割方法,這是本研究的亮點之處。本研究雖僅使用了初等幾何工具,但是簡潔地找出豐富的性質並且完整解決了兩相異直線均分任意三角形以及四等分任意凸四邊形與凹四邊形的面積之問題。

四「瓶」八穩~環保浮筏載重之研究

我們運用資源回收的寶特瓶和EVA軟質地墊,來快速組裝穩重安全的環保浮筏。研究發現,當載重浮筏底面積和高的比值越大,重心位置越低越穩定,回復力矩越大,穩度越高,載重能力越大(在小於最大浮力的情形下)。同時還發現,模組重心吃水深度(dw)、模組吃水深度(d)、重心與浮心高度差(Δwb)、模組頂部與重心高度差(Δtw)等四個參數,也會影響浮筏的最大載重(W),並自創一個快篩函數f(dw, d, Δwb, Δtw),可以大致計算出浮筏最大載重的變化趨勢。我們結合自創的快篩函數,設計自製可以裝填不同重量物質的環保浮筏,可以推廣至各水域,作為安全可信賴的救難設備,兼顧環保與救難的雙重功效。

細胞運算-於康威生命遊戲的自動化數位電路設計方法探究

「康威生命遊戲」是一款在1970年由劍橋大學數學家約翰•康威(John Conway)發明的單人遊戲,由棋盤構成的細胞組成,可以模擬邏輯閘元件,並且可以構建簡易計算器。 研究者在建構加法器和減法器的過程中,發覺手動放置電路元件非常耗時費力且容易出錯。為了解決這個問題,研究者決定開發一個能自動擺放元件的程式,以節省布局和放置元件所需的時間。參考了電子設計自動化(Electronic design automation)的概念,使用Python語言結合康威生命遊戲的應用接口模組,開發了一款自動電路布局程式。只要輸入邏輯電路的布林函式,就能自動設計、布局和放置元件,大大縮短了製作邏輯電路上的時間成本。因可直觀地展示訊號的傳遞和邏輯閘的運作,也有助於學生理解邏輯電路的運作原理,應用於教學。

校園蒼蠅虎~雙帶扁蠅虎(Menemerus bivittatus)的生態調查和步足仿生設計

我們在校園裡的樹皮下發現雙帶扁蠅虎,發現牠的捕食、求偶、蜷縮步足姿勢非常特別,以顯微攝影進一步鎖定研究牠的步足,發現步足上有許多剛毛及細毛,並有尖端倒鉤和尖刺,讓雙帶扁蠅虎可以在光滑表面上快速地行走!雙帶扁蠅虎會先用身體一側的第一、第三對腳和另一側的第二、第四對腳;再用一側的第二、第四對腳和另一側的第一、三對腳的步足行走模式。快速行走應該跟四對步足的結構、關節構造都有關,觀察步足的蜷縮結構,測量出牠可以將身體從體長6-9mm,穿過2.5mm的縫隙,發現蠅虎的步足有很好的伸縮能力,特殊的關節膜結構,以及前附足的特殊功能等,期待將步足的蜷縮能力、關節膜特殊構造和移動方式,應用到生活物品的仿生上。

自動機電控制拉張結構平衡桌

本研究利用開發板Micro:bit與拉張結構,製作可自動平衡的桌子。我們依桿弦相對位置,將拉張結構分為兩種,並且探討這兩種拉張結構的平衡與承重力。依照結構承重能力均勻與否以及結構是否容易達成平衡,採用型二拉張結構(指弦在上面,以桿支撐整個拉張結構)為自動平衡桌的主體。自動機電控制的程式部分採用決策樹的邏輯策略取代數學上的繁雜運算,達到自動調整伸縮桿,取得桌面平衡,並期望可延伸到生活上相似環境下的應用。

「紅」「輻」齊「天」- 紅外線溫度計測量雲底高度與其測量誤差變因之探討

本研究探討手持式紅外線溫度計做為低雲雲底實際高度測量的可能性,並探討其中可能影響紅外線溫度計測量之因素。我們發現:若直接以紅外線溫度計測得之雲底溫度換算高度,其與實際高度相差甚多。我們模擬測量雲底時的情形,探討比雲底高溫之空氣對於紅外線溫度計的影響。對大氣吸收與放射紅外線設計了兩種實驗加以了解。我們認為:當我們使用手持式紅外線溫度計測量雲底溫度時,雲底所發散的紅外線大部分被靠近雲底之大氣吸收,實際測量時雲底溫度高估之結果,應為紅外線溫度計視線範圍內靠近地表之大氣輻射紅外線總量綜合之結果,難以測量到雲底所發散的紅外線。

探討海藻酸鈉晶球與甜菜紅素晶球移除重金屬離子之能力

本研究應用海藻酸鈉和甜菜紅素螯合重金屬能力及海藻酸鈉交聯作用製作海藻酸鈉晶球。並將富含甜菜紅素的火龍果汁稀釋液與海藻酸鈉混合後做成甜菜紅素晶球,比較兩種晶球在不同條件下移除銅金屬離子能力,得知兩者在不同濃度之銅離子溶液中靜置40分鐘反應可達平衡。且由溫度效應、酸鹼效應及濃度效應之實驗結果得知在25℃,pH=5,不論100或1000 ppm Cu2+,皆為甜菜紅素晶球移除率較海藻酸鈉晶球優。不過當高溫、強酸及保存多天的條件下甜菜紅素晶球的移除能力會逐漸下降。另外,比較晶球在25℃,pH=7下,移除1000 ppm不同重金屬離子(Co2+、Ni2+、Cu2+)之能力,得知甜菜紅素晶球的移除率皆優於海藻酸鈉晶球;此外,海藻酸鈉晶球移除能力為Co2+≅Cu2+>Ni2+;而甜菜紅素晶球移除能力為Cu2+>Ni2+ >Co2+。

正N邊形等距異色之頂點最少塗色數探討

本科展作品在研究正N邊形的頂點塗色,定義相鄰兩頂點的距離為1,先設定距離m,規定若兩頂點相距m則塗不同色,求塗完N個頂點的最少色數。當只設定1個m時,我們研究出最少色數只有2與3兩種,並清楚區分出對應條件。而設定兩個m時,我們研究出最少色數有2 , 3 , 4 , 5等四種,同樣清楚區分出對應條件。最後推廣到設定k個m時,我們證出最少色數的絕對下界為2,絕對上界為2k+1。並以N、m的奇偶性細分各情況來做出更精密的上界估計。

新式複合顏料

上美術課時繪畫有許多缺點例如乾燥時間不易控制、要長久保存需要加保護油,放置地點要控制溫濕度等。我們的實驗想要製作可以簡單長期保存的顏料,首先尋找高分子聚合物酚醛樹酯當基底,加入穩定的亞麻仁油以及異丙醇當溶劑、再添加色料,最後加入可以均勻混合溶液的乙酸異戊酯來製作成顏料,此顏料黏性適中能畫在各式材料,例如畫紙、玻璃板等上面,且具有塑膠特性,如果沒有被太陽光長期直接照射,不容易分解、退色、發黴、不被蟲咬、不會發黃、變色或裂開。可以取代油畫與壓克力顏料。此外可以精簡油畫器材,方便攜帶,減少運送的重量與體積,可以解決油畫從中世紀以來的長久問題,為美術材料一大突破。