全國中小學科展

第二名

從心開始—三角形的四心到各邊距離和

此研究討論三角形 ABC 的外心、重心、垂心、內心到三邊之距離,並依銳角、直角及鈍角三角形,去比較各距離總和之大小關係及相互之間的關聯性。其主要結果為: 1. 用外接圓半徑 R 及∠A,∠B,∠C 表示各心到三邊之距離。 2. 設外心、重心、垂心、內心到三邊之距離總和依序為d1,d2,d3,d4,其大小關係為: (1)在銳角∆中,d1≥d2≥d4≥d3,僅當正∆時,等號成立。 (2)在直角∆中,d1>d2>d4>d3。 (3)在鈍角∆中,d1>d2>d4恆成立。d3與d1、d2、d4比較,並無絕對關係,但在等腰鈍角∆,我們給出其大小順序的臨界值。 3. 在銳角∆及直角∆中,等式d2=2/3 d1+1/3 d3 和d2+1/3 d1-1/3 d3-1/3 d4=R 恆成立。

「葉」「銅」學來殺菌

本研究利用葉綠素卟啉環內的鎂離子置換成銅離子來處理硫酸銅廢液,鎂銅離子的置換目前均使用萃取法,本研究透過實驗確認可以使用葉片的原型來置換,大大減少了廢液處理手續。除了具有表皮蠟質的葉片置換速度較慢,其他葉片結構皆不影響。透過比色法計算出移除率,加上硫化鈉檢驗,確認此方式可以完全去除銅離子。檢測置換後的葉片在土壤中與不同pH值的水中,銅離子皆不會再度釋出。 藍綠菌是有葉綠素的微生物,實驗發現藍綠菌鎂銅離子的置換速度優於陸生植物,間隔三天在優養化水域倒入0.05%硫酸銅溶液,15天後水域濁度下降到4NTU以下,水生動植物則不受影響。利用葉綠素鎂銅離子的置換可以處理硫酸銅廢液,還能去除藍綠菌,可以說是一舉兩得。

光下弄冰─利用廢棄壓縮機自製「光」驅動「冰」儲能系統

在全球氣候變遷及經過日本311海嘯對核能電廠破壞所造成的核污染,我國立志推動無核家園及綠色能源,而儲能的方法也將成為研究的方向。本研究利用太陽能光電板透過冰電池系統將電力儲到蓄電池以外,也透過相變儲能的方式將水結成冰,在實驗中測試了4種不同的冰電池管道,結果發現增加銅管對水的接觸面積,一來可快速使冰電池內的水快速結成冰,二來可不必將滷水溫度打到太低的溫度,以減少壓縮機耗能。 我們直接把太陽能光電板所產生的電力,可將水儲存為冰的型態,將冰電池融冰後的冰滷水送至風機是可以維持出風溫度為12℃左右,可有效提供負載空間做空調使用。這個系統所消耗的電是由太陽能板所產生的電能,創造不同以往的太陽能儲能模式。

神「漆」酷科學-不同粉末對塗料降溫效果之研究

因暖化和教室過熱問題,我們自製檢測裝置探討各種配方和變因,進行降溫塗料研究。 我們從24種粉末中實驗出6種特色粉末深入研究。其中二氧化鈦漫射紅外線佳,二氧化矽阻隔佳,蛤粉則兼具漫射和阻隔效果。我們歸納出「白度、粉末性質和顆粒堆疊」是影響塗料降溫的關鍵。當顆粒堆疊的縫隙越少(形狀相似、顆粒越小)降溫效果越佳。 但顆粒粒徑<3μm易產生團聚現象,無法均勻分布! 我們也自製碳酸鈣微球,由不同大小顆粒的混合察覺大小顆粒鑲嵌能減少縫隙、降低團聚並增加白度。更意外發現蛤粉漫射效果佳是因為具有大小顆粒鑲嵌的結構! 我們研發出四種降溫配方,加熱三分鐘能比市售隔熱漆低4.7℃,日曬保麗龍盒實驗也能低0.5℃,適合推廣應用。

探訪壽山鐘乳石洞的奧秘

聽說壽山鐘乳石的形成需要上千年的時間,因為學校的壽山鐘乳石探洞活動讓我們想深入研究鐘乳石的形成過程。我們在水溶液課程中學到了鹽水結晶的過程,也實地探索測量猩猩洞與天雨天財洞,觀察紀錄地形地貌、鐘乳石形狀、洞內生物和溫濕度數據,提出鐘乳石形成過程的形狀差異進行實驗。我們從網路與課本上選出了多種粉末調配水溶液,有石灰水、小蘇打水、生石灰、醋酸鈉和鹽水做滴漏實驗,觀察表面結晶的過程。接著利用陶土做基底模擬鐘乳石形成樣貌,發現小蘇打水容易在表面上產生結晶。最後利用石膏滴漏在不同形狀的陶土表面上,發現流動速度快時會產生流紋、流動速度慢時會產生波紋,找出影響鐘乳石表面紋路的各種因素。

「稻」高一「齒」、「磨」高一丈- 探討褐飛蝨的齒輪構造與運動方式的相關性

好奇褐飛蝨齒輪的秘密,實際飼養並觀察牠的身體形態與習性,進一步製作3D紙模型認識結構。以顯微鏡找出齒輪在若蟲後足轉節處,為正齒輪占轉節角度60~80度,齒數隨蟲體變大增加。成蟲沒有齒輪,轉節較若蟲大,腿節、脛節和跗節比例較長助於運動和抓握,六足連動跳躍時平均距離長,平面移動三足步式。驗證蟲體轉彎上下安全又省力,3D列印製作齒輪模型模擬蟲體運動,比對步足模式找出與齒輪相關性。若蟲腿部短、步行較緩慢,平面移動步足模式和成蟲相似;順逆時針轉彎以5或6足齒輪帶動其他足轉動。跳躍時轉節和5,6足開啟後,齒輪瞬間合起卡住,5,6足拉直跳躍。齒輪讓若蟲順利步行、跳躍逃生,推測是為了適應水稻的構造。

以智慧物聯網建構暗棋對弈機器人系統

智慧物聯 (AIoT) 在生活中逐漸普遍,應用在機器人、智慧家電、語音助理…等各種用 途上。本研究將以 AIoT 概念開發暗棋機器人,可讓任何程式開發者,透過開放的 http 協議 要求雲端應用程式介面(API),開發各種形式的暗棋對弈程式或機器人。暗棋對弈系統基礎架 構運作,是具有雲端連線的 IPCAM 及機器手臂的機器人,系統向 IPCAM 要求暗棋的盤面影 像,再透過卷積神經網路 (CNN) 辨識暗棋盤面,將棋譜提供給對弈人工智慧運算下一步的 棋步,提供給機器手臂做出翻棋、移動、吃子的動作。此一設計方便的大量收集棋譜資料庫, 作為未來暗棋對弈深度強化學習的資料樣本,AI 棋力將可提高,搭配機器手臂作下棋動作, CNN 辨識盤面,以 AIoT 概念架構,可望讓對弈機器人大眾化,逐漸普遍於各個地方。

探討IOD現象對熱帶氣旋之影響

本研究意旨探討印度洋偶極震盪(IOD)與北印度洋熱帶氣旋之間的關係。因氣旋原始數據過於複雜,在簡化氣旋各項數據後與再與不同IOD年份做比對,找出IOD與氣旋間 的趨勢,並以T檢定驗證兩者間關係的信心度,增加研究可信度。 研究結果顯示發生印度洋偶極現象的年度,其年最大氣旋強度平均值與年總氣旋能量指數平均值,均顯著高於正常年。且東印度洋生成的氣旋傾向生命周期較短但強度較強,西印度洋生成的氣旋則傾向生命週期長而強度較弱。

AI影像辨識輔助視力量測系統

近年來因為COVID-19緣故,學生線上學習的比例提高,但礙於疫情無法頻繁至眼科做視力追蹤,故本研究利用Yolov3建立可辨識手勢的AI模型,並結合視力量測規則,研發出無人協助即可達成即時量測視力的人工智慧系統。 研究結果顯示,本系統所得之視力檢測值平均準確度可達96.645%,相較傳統量測視力之總誤差平均值僅有0.096,且每人次的量測時間僅需約五分鐘。完成檢測後,系統會自動將量測結果上傳至雲端資料庫,並可利用本研究設計的視力追蹤App進行視力變化查詢。 綜合上述,本研究可在一般家庭裡使用、紀錄及追蹤視力變化,未來更期許可進一步配合使用在醫療診所或學校,協助醫護人員量測視力,減輕醫護人員的工作量。

地動山不搖—隔震裝置在建築物之應用與探究

本篇研究隔震裝置及搭配不同消能元件之探討。實驗得知,安裝隔震裝置可有效隔震;單層隔震裝置擺動方向與地震力方向相同有較佳隔震效果,角度加大隔震效果變差,也許可透過疊三層,各層夾120度之擺放模式解決地震力方向問題。建物高寬比大晃動明顯,蓋建物應考量隔震器承載重量與建物擺動力矩的極限;不同擺長隔震裝置有不同自然頻率;組合擺之自然頻率較單長擺低,且最大加速度較低但頻寬較寬;隔震裝置並非越多層越好,多層可能造成重心偏高晃動加劇;隔震層於底部隔震效果最佳;以隔震為基礎加裝阻尼消能發現,在適當的阻尼下,系統可兼顧隔震與消能,有效降低大樓晃動,若阻尼過大則導致隔震功能喪失,能量大幅傳入建物造成擺動加劇。