全國中小學科展

佳作

新式 TiO2 太陽電池研製-兼論利用熱處理方式改良電池品質

傳統的太陽電池大都是由矽、及I-VI 族的砷化鎵製成。除了製作程序步驟繁複外,亦需極昂貴的儀器設備,對高中生研究環境來說算是很難達到的。所以本實驗採用較簡單的凝膠方式製作太陽電池薄膜,而且採用現在最熱門的TiO2 奈米材料製作太陽電池。本實驗之太陽電池曾在早期將TiO2 粉末製作成凝膠太陽電池薄膜,除了在數種不同光敏物質添加研究外,而這次本研究採用較新式的TiO2 酸性溶液為電池製作的主要材料,其間的差距在於實驗過程中添加了噴塗酸性溶液的濾網,使產生光電子的容納空間增加許多,產生光電流效率因而提升甚多。 另外本研究一種較創新的設計是將TiO2 凝膠薄膜(thin film)長時間退火所產生的缺陷(孔洞,void)變化。由退火時間加長及退火溫度提高可知TiO2 凝膠的空洞皆變大且減少甚多。如此本實驗太陽電池的照光電流亦提升甚多。退火後凝膠型太陽電池最大光電流可達80μA,酸性溶液太陽電池最大光電流可達90μA。退火前後的孔洞變化可經由光學(OM)、電子(SEM) 顯微鏡加以觀察TiO2 凝膠薄膜表面的孔洞變化,另再配合孔洞密度計算測試(void density estimate, V.D.E.)去定量記錄退火前後的孔洞改變。本實驗TiO2 凝膠薄膜孔洞密度約為 7~9 x10E12 /㎡,最適當的退火(含退火時間、溫度適當控制下)下,孔洞密度可降至 6 x 10E11 /㎡ 以下,如此使奈米TiO2 太陽品質提升不少。

揭開〝數〞的神秘面紗─不同數字組合及其運算關係

本作品是以1~9的9個數字為主軸,藉由數、數字和與數字根之間的關係,探討不重覆使用1~9的九個數字,把它們分成不同的幾組數,使其中的一組數會等於其它組數相加、相減、相乘、相除的結果等趣題。

重整勾股—迭代互質畢氏數

研究目的是證明貝格倫、普萊斯與菲爾斯托夫三元樹中所有互質畢氏數相等。研究動機是在這三種三元樹中存在著某些相同的互質畢氏數,如費馬三元數等,我因此猜想這三種三元樹中所有互質畢氏數相等。研究方法是由歐幾里得家族的生成公式與這三種三元樹中的3階方陣迭代公式建立2階方陣迭代公式,然後由2階方陣迭代公式與歐幾里得家族的生成公式探討歐幾里得家族中任一互質畢氏數在這三種三元樹中的迭代路徑。研究結果是由2階方陣迭代公式與歐幾里得家族的生成公式證明了這三種三元樹中所有互質畢氏數相等,建立歐幾里得家族中任一互質畢氏數在這三種三元樹中的迭代路徑碼,改良了普萊斯的建立方法,我未來展望是想將迭代路徑碼運用於密碼學。

Avoid123

在n個數字當中連續三個數字皆未出現連續遞增情形者我們將其稱作為aviod123。在n個數字當中連續三個數字皆未出現中小大排列情形者我們將其稱作為aviod213。我們針對這個問題用反面,分類的方式是來處理。將其依照前兩個數字的不同分類成下表並將表中每一個情況所會產生的排法寫成矩陣形式配合遞迴關係式我們將會得到以下結果 1.aviod123的結果: Tn= T2=T3= 其中An(n)為矩陣中所有元素的總合(被aviod123的數量) 我們將其用sigma表示並化簡,化簡如下: 2.avoid213的結果: Kn= 其中B(j,k,u)=(第j個矩陣中,第k行,第k行的前u項)

「火」「辣」又「神」奇的防護:以火龍果皮、辣椒和洛神花色素製作天然護脣膏之研究

在冬天的時候,許多人會使用護唇膏滋潤嘴唇,我們查詢護唇膏中的色素成分,幾乎都是人工色素,會造成健康傷害,我們想要製作出天然的護唇膏,以解決健康上的疑慮。我們選用紅色系的色素材料:火龍果皮、洛神花和辣椒色素,比較三者的抗菌性、保濕性和抗氧化性,我們發現以下結果: (一)三種材料都有抗菌性,而洛神花的抗菌性是三者中最好的 (二)保濕性以火龍果皮最佳,辣椒最差 (三)抗氧化性是辣椒大於火龍果皮 接著我們將火龍果皮、洛神花和辣椒色素製作成天然護脣膏,請同學們試用後填寫問卷,調查同學們對這三種天然護脣膏之舒適度、吸收度、著色度、保濕度及口味好感度的滿意程度,以作為將來開發天然護唇膏的方向。

霍夫曼的綠色奇航-電解探究與環境上的應用

「減量是王道」─利用雷射切割機、壓克力板、螺絲、針筒等器材,設計並製作微型電解水器,除完成各種電解質測試外,並探究電解變因,精確量測法拉第常數。「回收是責任」─善用電解原理,探究銅離子的回收率成因;最後回收科展實驗的所有廢液,減低科展實驗對環境的衝擊。 最耐腐蝕的電極實驗發現,黑化處理的鎳鈦合金電極電解NaOH溶液時,其氫氧體積比最接近理論值2.02,SEM圖亦顯示其材質抗腐蝕能力強。回收率的探究發現通入的電流強度越高、越酸或添加螯合劑,會造成回收率下滑。 利用電解法可完全清除實驗廢液中的銅離子,免去強鹼的使用;整個回收過程約損耗216瓦‧小時,折合0.216度電。

風「聲」「Hz」唳-不同桌球旋球驅動球桌基頻振動之研究

從不同旋球撞擊球桌的聲音會有差異,利用發球機進行桌球選手的實測,發現選手分辨不同旋球之撞擊聲與年齡及練習時數有關。 我們將錄製的撞擊聲經過Godewave及Origin進行頻譜分析,發現球桌振動的基頻有133Hz、153Hz、180 Hz、200 Hz,並判斷音色及音高略有不同。 我們試著找影響球桌基頻振幅組成的原因,測量了不同的球速、飛行距離及球桌角度的撞擊聲,發現正向力不同及撞擊位置不同,也會影響球桌基頻的驅動,但發現並無絕對關係。最後量測球桌邊長,利用公式v = f×λ代入計算,發現基頻與球桌特徵長度相符,並且推論旋轉方向與特徵長度方向為平行,可得之兩者有顯著關係。

動靜之間-瘤蜷的行為習性探討

在校園水生池發現一顆顆的黑點點,經圖鑑比對發現是瘤蜷。瘤蜷的外形特徵是螺殼有顆粒狀螺肋,常見螺長約1-3cm。瘤蜷是台灣優勢的淡水螺,也是水質的「指標生物」之ㄧ。我們調查社區的森林公園水生池、植物園水生池都發現數量較多的瘤蜷;但新整建完成的濕地公園生態池旁,卻發現有許多乾掉的螺殼,池中沒發現瘤蜷。我們觀察瘤蜷的行為習性,發現瘤蜷喜歡棲息在乾淨的水域;運動方式主要為爬行和漂浮,流線型螺殼、顆粒狀螺肋及改變螺殼攻角讓牠們更適應水流;縮入殼內、鑽入泥沙及殼色與棲地相似,是常見的自我保護方式。我們也發現飼養的瘤蜷有跟隨爬行的行為,實驗發現加入隊伍方式、光照、空間、水深、水溫及底質都會影響瘤蜷跟隨爬行的行為。

振盪藍色小精靈

『藍瓶反應』以亞甲藍從藍色(氧化)←→無色(還原)瞬間的變化令人稱奇。從現有的資料我們已知藍瓶反應中,會變色是因為有可以繼續氧化的官能基,在其官能基附近有拉電子基的存在,所以能夠產生顏色變化。架設好實驗設施後,我們改變搖晃頻率,希望尋找出最佳的搖動頻率。反應時使用LED(白光)對實驗分析採集器的光感應器照光,來觀察光度變化量與反應時間。我們利用此實驗裝置可以準確的得到,藍瓶反應在不同質量下的葡萄糖、不同濃度的氫氧化鈉、不同體積的亞甲藍、不同溶氧量反應時的反應速率定律式,而我們最後實驗所得的反應速率定律式: R=k[C6H12O6]-2[NaOH]1[O2]2。利用改變溫度下的條件求得活化能。最後使用刃天青來進行紅瓶反應,比較藍瓶與紅瓶反應的差異。

手環遊戲

本研究探討利用截最少顏色段數來組合最多連續整數1、2、3…k-1、k 顆珠子的手環,不\r 同顏色段的珠數可以是1 個、2 個、3 個…,將相鄰顏色的珠子單一、兩兩或三三以上互相組\r 合在一起,組合出最長且最多種不同長度的鍊子。我們發現有趣之處,當手鍊上有N 種顏色段,\r 最多可產生1+N×(N-1)種串珠的組合,手鍊總珠數為1+N×(N-1)個。而且我們參考並修改\r 相關歷屆作品的研究方法,找出比較快速且可篩選過濾重複組合的方式------利用abcde…\r 找出段數所代表的數字,再以數字的排列組合找出相關的隱藏組合,最後利用Excle 程式檢驗。\r 當段數愈多,間隔的組合就愈繁多,從這些繁多的組合中,我們找出1 段~6 段(也就是總珠子\r 數1 顆~31 顆)的最佳解。