全國中小學科展

佳作

廢熱不廢晶來電

日常生活中有許多活動會產生熱能,這些熱大多直接散失掉,沒有被完全利用,例如:烹煮食物、烤肉等產生的熱。本研究在探討如何回收這些廢熱,以致冷晶片為工具進行溫差發電,並結合3D列印與雷射切割技術,自製發電箱與電器用品進行實際的生活運用。致冷晶片是利用熱端和冷端的溫度差來發電,針對熱端,探討了不同熱源的回收以及保溫的方式,包括材質和裝置;針對冷端,探討了散熱的方式和裝置。並依據不同廢熱的特性,研發出四種廢熱溫差發電裝置,包含太陽熱、熱湯熱、蒸汽熱、火源熱(以石頭蓄熱)等。最後更研發出整合型廢熱發電箱以驅動自製的電器用品,包括風扇、夜燈、攪拌器、食物解凍器,並可對手機充電,使廢熱不再廢而無用。

尋覓植物中的天線寶寶

一般收播無線電視節目都是使用市售的金屬天線,我們在天線寶寶的實驗中證實了植物的神奇超能力,運用特定植物的莖、葉、果,也能夠收播現有的五個無線電視頻道,實在令人驚嘆。

微小旋光計

許多物質有具旋光性,本研究進行物質旋光度的特性探討分析,並根據這些特性,發展出微小旋光計及其應用。物質的旋光度受溶液濃度、溫度、光程等因素所影響,本研究除探討影響物質旋光度的因素,也探討不同波長可見光對旋光度的影響。為了進行實驗測試,本研究共建立了三代的多波長旋光度自動測試儀,並發展軟體”旋光角自動測試顯示系統”,可以全自動進行不同波長下溶液旋光度的測試,自動記錄數據並顯示溶液的旋光度,讓實驗測試更快速準確。本研究並利用光學反射的原理,把整個旋光裝置微小化,並探討了微小化對溶液旋光度的影響。這個微小旋光計和特製的微小比色探棒,組合成可攜帶式比色計,可應用在快速液體分析和液體濃度判定。

君子“號球”

本次研究的靈感來自於2011年亞太數學奧林匹亞競賽初選考題中:「將10個箱子編號為1 , 2 , 3 , … , 10,另將10個球編號為1 , 2 , 3 , … , 10。今規定編號i的球只能放入編號1 , 2 , 3 , … , i的箱子 , i = 1 , 2 , 3 , … , 10。求恰有一個空箱子的放球方法數?」 此報告由原題向外延伸,運用「遞迴數列」與「排列組合」找出關係,從10個箱子空任一個箱子的總方法數,推廣到m個箱子空任n個箱子的總方法數,其結果與Euler's triangle相符。最後也將限制條件加以改變,包括奇偶數、改變球數與限制容球數,並討論其解法。

土角厝的奧秘

傳統夯土的土角厝磚加入的稻草混合物,以混雜方式可以有效的減緩熱傳導效應,並對屋內或戶外蒸散水氣,以達到土角厝磚內部與外部的大氣平衡。研究結果顯示混雜方式雖好,但效率因不同地、不同土壤、夯土的技巧或加入不等量稻草的因素,呈現複雜多樣的變化,利用重量法、密閉加壓法求得相對的孔隙比,得知在每克飽和土壤加入0.14克的稻草研磨物為單位,依比例製作土角厝磚,飽和狀態加入研磨添加物60%以上,土角厝磚正反兩面的溫差隨時間增加有逐步擴大的現象。

磁力與浮力的拔河

我們提出一個實驗方法,將測量浮力的原理應用到磁力大小的測量,這個方法可以測量磁鐵在不同距離下的磁力大小,彌補課本上利用迴紋針吸附只能測量到磁鐵表面磁力的不足。依照提出的方法,我們研究了磁鐵距離與磁力的關係,以及不同大小與材質的圓柱型磁鐵對磁力的影響。研究結果發現磁鐵直徑越大,磁力越大,而當磁鐵表面與鐵粉(被磁鐵吸引的目標物)距離固定時,磁鐵厚度增加,磁力作用也會增加,但是有一極限值。若把鐵粉量增加,則測量到的磁力也會增加。我們也發現釹鐵硼磁鐵的磁力與距離的2.5次方成反比的關係,而氧化鐵磁鐵則是成2.4次方反比關係。最後比較兩種不同材質的磁鐵,我們發現釹鐵硼磁鐵的磁力大約是氧化鐵的5倍。

碎形萬花筒

本文旨在探討萬花筒中的美麗圖形的現象原理。過程中透過碎形理論及迭代函數系統進行分析,並對其美麗圖形的建構組成,找出背後的數學理論。文中在制式萬花筒實物模型及軟體的模擬中,找出萬花筒中圖形背後的數學函數對映關係。發現其結果是依循三稜鏡所構成的頂點為中心,並以三頂點中心等間隔鏡射生成的平面,複製出對稱的圖形進而產生六芒星,並在三稜鏡面上所生成的鏡射平面上,再進行以六芒星為基礎圖複製的無理旋轉而成,最終使鏡射平面上佈滿稠密的六芒星。而該六芒星中心點會以三稜鏡的三個頂點為圓心的夾角,等間距地生成於起始位置周圍,而轉動萬花筒所產生的美麗圖形,正是基本圖在圓筒內進行遍歷的鏡射所生成,結果如下。

轉吧!毛髮溼度計

利用溼度計的轉動,找出影響毛髮長度改變的因素與各種分子有著什麼密不可分的關係,並試著推廣至其他研究實驗中。

摩登幫浦

抽水機所運用的原理,是藉由內部壓力小於外部壓力所形成的壓力差,來完成抽水的目的。而產生壓力差的地方就是幫浦,現有使用的幫浦是利用引擎或電動馬達作為動力,去帶動幫浦,或利用高壓壓縮空氣通過文氏管產生真空來達到壓力差的目的。試想當沒有抽水機,或停電時,將如何抽水呢?既然抽水需要真空來製造壓力差,就我們所學汽車進氣歧管處就有真空,而依據交通部95 年1 月份之統計,全國機動車輛(汽機車)總數為19,912,431 輛。幾乎每一人就有一輛汽機車,故可用以抽水之真空來源,無所不在。在沒有傳統幫浦時,我們想到的方法:先將箱子(容器)與汽車或機車的進氣歧管連接後,將引擎發動,此時箱子內的空氣會被發動中的引擎抽出,而使箱內變成負壓;此時箱外的壓力為一個大氣壓,因而我們僅需要以管子將箱子與我們要抽取的液體(如:水、油等)完成連結動作,便能利用箱子的內、外壓力差(箱子外在壓力大於內在壓力)而將外面的水快速吸入箱中,以達到我們抽水的目的。當水被抽完或箱中已滿時,此時我們將箱子通大氣並把放水閥打開,使箱內的水能順利且快速排出,甚至我們可以將箱內加壓以加速排水速度。一個沒有幫浦的「幫浦」,從此誕生了。

水中蛟 「熊」﹣校園水熊蟲分布與種類調查

水熊蟲0.25~1.5 mm不易收集與觀察,為了提高收集效率,因此比較文獻收集方法與自製濕離法,實驗發現自製濕離法可有效收集大量水熊蟲,且最適合採集水熊蟲的環境與時間點:面向東方與東南方、春季和降雨後潮濕的苔類植物。進行水熊蟲與其棲息的蘚苔植物種類鑑定,得知校園水熊蟲為趾生熊蟲屬與端爪熊蟲屬,並棲息於錦苔屬、溼地苔屬捲葉濕地苔、真苔屬、鱗葉苔屬、捲薄苔屬與澤苔屬的蘚苔植物。文獻指出空氣中二氧化硫濃度會影響水熊蟲分佈 (Steiner, 1995),因此未來將先嘗試飼養水熊蟲,使實驗動物穩定後,探討水熊蟲因空氣汙染後的隱生、死亡或其他生理機制的表現,評估其是否有潛能成為空氣污染的指標生物。