全國中小學科展

第三名

繩圈奇「圓」-繩圈纏繞現象之探討

本篇研究細繩落下後的圈繞現象(Coiling of rope)。經實驗發現:圈繞出的繩圈之直徑D、週期T,隨著細繩的初始高度H、下落速率U、線密度p的不同而有所差異。也觀察到初始高度或下落速率在某一範圍內,細繩才可圈繞出圓的圖樣。若不在其範圍則無法穩定圈繞出圓,將隨機出現8字形或花瓣形圖樣。我們試著找出繩圈之直徑、週期與初始高度、下落速率之間的關係。若設D=αH1/2U ,α為一待定數。在我們測量的範圍內,無論何種初始高度,隨著下落速率的增加,α均趨於0.06公分-1/2·秒 。

觀其「舞」∙知其「聲」

本研究從傳統科學遊戲「雷射聲波筒」出發,自行研發出既安全又能精準量測聲源透過氣球皮振動而反射出圖形變化的【聲波振動顯現儀】,發現聲音的頻率、響度皆會影響投射至方格屏幕上紅點圖形的長度及形狀變化,其中尤以介於140~300 Hz的低頻音較容易使氣球皮產生大幅的振動,且響度越強圖形長度也會隨之變大。 而氣球皮的面積及緊繃程度亦會影響投射至方格屏幕上紅點圖形的變化,最後我們更成功研發出【聲波振動模式檢測儀】,能檢測氣球皮受聲波擾動位置及生成圖形間的關聯性。 我們用一整年的假日、週三下午等時間完成此研究,發現物理世界中聲與光的奧妙之處,付出再多的辛苦也值得!

前進吧!氣墊船

我們了解到氣墊船是靠空氣來減少摩擦力並快速前進,氣墊船可以在陸上行舟,也可以在水面上行駛,而且風扇在水面以上,不受水面上水草與水面下障礙物的影響,適合多種地形,如:淺水、沙灘地、路面、沼澤……,可以用於交通、救災……,是個多元用途的交通工具。 氣墊船柔裙不像外表看起來這麼簡單,只是圍上一層塑膠袋,要氣墊船可以輕鬆的動起來,還要探討柔裙內氣室的大小、接觸地面的面積、開口形狀。馬達組是氣墊船的心臟,向下馬達組要負責柔裙的充氣與氣室的充氣;向後馬達組要給予氣墊船前進的動力。方向舵可以協助氣墊船控制方向,讓我們可以正確快速的到達目的地。 期待日後氣墊船除了征服海、路以外,還可以飛上天空,成為全方位的交通工具。

探討豉甲外型對下潛運動的影響

豉甲為棲息於水面的昆蟲,中、後足為扁平槳狀的游泳足,體長約17mm。在水面上快游速度達1.08 m/s,潛游時速度約0.57 m/s;豉甲潛水平均速度約0.83 m/s,下潛僅需41 ms。以Ansys模擬豉甲潛水,發現會在背部隆起與腹側形成壓力差,產生向下的作用力以利其下潛。製作隆起高度比例不同的模型,發現在破水時,1與1.5倍的法向作用力較小,入水後1倍的作用力矩較大,使其更快旋轉向下潛。施力的角度越小,破水時法向作用力也越小,但不影響作用力矩的大小,模型的形狀、運動狀態才是影響作用力矩的主要因素。下潛時蟲體先具一定大小的初速度,有助於下潛,破水時速度越快總作用力越大,但作用力矩正比初速的2.1次方,速度越快使其更快旋轉,令用於下潛的有效分量提升。

三角形等角、等截、角比例共軛點之推廣研究

本文透過齊次坐標研究三角形的等角、等截、角比例共軛點變換,其中角比例共軛點是全新主題,接著研究自創的Qn共軛變換。首先,我們證明三種共軛點「存在性」,並提出統整性定理「無窮遠點的Qn共軛軌跡為二次曲線S」與「S曲線上過三頂點切線交點的三線坐標」,透過前述定理證明無窮遠點關於"∆ABC" 的角比例共軛點軌跡是內切於其旁心三角形的橢圓,這是本文獨創發現。第二,我們一般化推廣「無窮遠點」關於"∆ABC" 的「Qn共軛點」為二次曲線及找出其判別式(橢圓、拋物線、雙曲線的判別式),並類推到「直線」關於"∆ABC" 的Qn共軛點軌跡為二次曲線及其判別條件。最後,本文討論更一般化情形無窮遠點及直線的Cremona變換。

Pride of 3D:Renaissance on Scratches-觀察並探討以塑膠片上之弧形刮痕建構3D全像圖之可行性

本文主要在探討以刮痕組合而成的鏡面全像圖之運作機制以及其背後的物理意義,並且嘗試建立一理論數學模型以分析預測此立體影像。另外並探討實驗中的多種變因──入射光、反射光與平面的各種夾角,距離,及半徑──之間的關係。待做完不少的實驗之後,我們發現實驗結果竟與我們的理論模型相當的吻合,此外也說明了立體圖形成像之位置。除了以上討論的理論與實驗之契合,本文亦指出了此理論之適用範圍及限制。

沙墨乾渴、水山爆發-白板筆之創新設計

市售棉心式白板筆是以毛細現象將墨水儲存於棉心,當墨水過量會有漏墨問題或無法將墨水以毛細現象完全導出。本創新直液式白板筆是類似鋼筆方式儲水,其物理原理與舊型棉心式完全不同,它是以內外壓自然平衡來導引墨水,實驗中以棉心吸水效率、墨水損失率與色彩分析相關的實驗驗證下,其可改善舊式白板筆的缺點。但新式白板筆仍會受環境溫度與壓力變化而有漏水狀況。本組以自製測試設備輔助下,模擬了溫度對應壓力的變化、墨管內空氣與墨水膨脹率不同產生漏墨與高山大氣壓力降低導致墨水溢出的實驗。根據實驗結果本組進一步設計以針筒活塞來調整壓力的新式白板筆,完全解決了漏墨的缺點,且此環保可重複使用的設計是值得持續研究與推廣。

變吧!變吧!七彩霓虹燈!--探討靛胭脂的氧化還原

食用藍色色素靛胭脂的氧化還原反應有綠、紅和黃色變化,故稱紅綠燈反應。為研究此反應,本實驗自製簡易光度計與搖動機器人控制搖動溶液的幅度,降低手搖的誤差,並將兩者裝置組合以利量測反應時間、減少誤差。實驗結果可知葡萄糖與氫氧化鈉濃度越大反應越快,兩者混合後為使每次循環變色時間差異小,需先靜置約10分鐘,以形成足夠的葡萄糖酸。當我們更改還原劑種類,發現果糖的烯醇化速率比半乳糖及葡萄糖快,故變色時間最短。最後我們希望藉由減少化學試劑用量保護環境,嘗試以維生素C作為還原劑、小蘇打取代對環境較為傷害的氫氧化鈉,成功綠化使靛胭脂還原,但限於溶液pH值而僅能出現藍色轉變為黃綠色,若要出現中間態紅色則需要提高pH值。

另壺沖 酵OUT茶毒

研究利用酵素、茶葉、基質和呈色劑產生呈色反應,觀察酵素的活性受農藥影響的程度判斷茶葉和茶水農藥殘毒多寡。 經過兩次改良,設計了易攜帶、低成本的木製比色儀器,用不同濃度硫酸銅水溶液確認自製儀器測出電阻數值和水溶液濃度有正相關,用呈色反應的黃色溶液測試自製儀器宜搭配紫色LED光源,用Tinkercad軟體繪製3D設計圖,並3D列印出儀器成品,可量產供大眾居家使用。 利用分光光度計測量茶葉吸光值農藥殘毒抑制率,發現與自製儀器電阻抑制率接近,自製儀器檢測茶葉、茶包、茶水農藥殘留抑制率,也探討泡茶溫度和時間對農藥殘毒抑制率的影響,實驗證實,將洗茶水溫80°C、時間20至30秒洗茶的第一泡茶水倒掉,可去除原茶葉中96%以上的農藥殘毒。

茶飲杯薄膜去除自動分類裝置

茶飲杯在飲料喝完後,使用者無法將薄膜割除,以致於茶飲杯亂丟,大杯與小杯無法分類,薄膜未除造成無法堆疊,造成垃圾佔的空間增大,使垃圾場一座一座蓋,塑膠杯與紙杯又同在一起,造成環保人員疲於奔命,問題一大堆… 本研究即想要在一個集中點收集數量很多的茶飲杯,製造出一台機器,能解決茶飲杯造成的環保問題,無論大杯或小杯,也無論是紙杯或塑膠杯皆能自動分類堆疊成一堆,讓環保人員輕鬆的處理茶飲杯的問題,讓垃圾場減量,解決環保問題。 本研究讓操作人員將喝完的的茶飲杯,無論是紙杯或塑膠杯,無論是大杯或小杯,都能自動除膜、自動分類與自動堆疊,這一部機器做出來,是解決茶飲杯無法分類的好方法,符合環保理想。