全國中小學科展

第一名

軌道下陷與車輛振動頻率偏移之探討

臺灣高速鐵路因地層下陷而有行車安全的疑慮,每年耗費數千萬來嚴密監測地層沉陷。 本沉陷的測量利用商務筆記型電腦中的加速度感測器,來記錄列車行進地層下陷處的電壓變化,透過QCN Live軟體轉換成加速度值,並分析高速鐵路經過地層下陷地點時的運動狀態,以耦合系統的物理模型並用KBM漸近法分析並描述得到資料與計算沉陷值。 透過全線測量,訊號的可靠性,高鐵苗栗麻園坑段反覆驗證,物理模型的適用和正確性,計算沉陷值,也在誤差的合理範圍內。 由此顯示,此沉陷的測量方法是可行的。尤其相對於傳統的人工測量方法,這個方法更有利於迅速地測量高速鐵路地層下陷,發現轉向架避震器的異常,防範事故於未然,更可節省大量的人力與物力。

彩色二維條碼手持產品開發之探討

數位二維條碼的使用日益普及,然而使用手機掃瞄時,常受限於掃瞄距離及拍攝角度,使用上不夠便利。在不增加拍攝限制且增加二維條碼儲存容量的前提下,本研究嘗試設計一款8色10×10模組的彩色二維碼,命名為Colour Matrix。其四個頂角的模組具特定顏色,用來作為定位的特徵,其他模組用於儲存資料。此研究也成功在樹莓派平台上開發專屬的顏色辨識及編碼與解碼應用程式。相較於常用的二維條碼QR Code,Colour Matrix的拍攝傾角限制較小但拍攝距離較短。升級拍攝鏡頭後的實驗則發現鏡頭解像力明顯影響Colour Matrix辨識率,以及研究中所使用的邊緣偵測方法具有極限,有待進一步深入探討。

很「錳」的不鏽鋼

驗證網路上流傳的三種方法(電解、磁性有無、外表光澤)檢驗不鏽鋼中錳含量高低的可行性及準確性,並找出更簡便安全的檢驗方法。經實驗驗證發現: 一、無法以外觀或光澤程度分辨是否為200系列的不鏽鋼。 二、無法利用磁性判斷不鏽鋼的種類。因為具有磁性的不鏽鋼為400系列,但200和300系列的磁性都很弱,利用磁性無法分辨出兩著的差異。 三、電解法可以檢測不鏽鋼是否為含錳量高的200系列。 四、經實驗後得知使用5%硫酸的硫酸溶液,利用家中常見的吸水性的材料(如衛生紙、化妝棉….)直接以9V電池進行電解即可進行檢驗。 五、考量方便性及安全性,我們也設計了OK繃不鏽鋼檢驗片,減少接觸硫酸的機會和硫酸使用量,操作更安全。

夢幻沙坑

跳遠沙坑本來整理得好好的,經過一個暑假,沙坑的沙變硬,並且有接近一半的地方都長了草。沙坑為什麼會變硬、長草?別的學校、別的場地又是怎樣?怎樣能改善沙坑?怎樣做出一個美麗、鬆軟又好玩的沙坑? 研究結果:經觀察及實驗,發現優良沙坑的沙的沙粒徑大都在0.5080mm與1.1684mm之間,且幾乎沒有細小粉泥和黏土等成分的東西。河沙和海沙加了少數的泥,植草生長良好,但如果加太多的泥,反而因排水不易,植草最先乾枯。學校沙坑的沙不加水則不受影響;加了水的沙會凝結成完整並且硬的沙柱。沙加了泥或黏土就可形成沙柱,最少可以承受640公克以上的重量。實驗沙坑內的純沙雖然每天澆水也不會長草,沙坑外的草不但長得大,還長出新小草。沙堆比人工的減震塑膠護墊減震效果更佳。把海沙、河沙加入彩色圓滑的小礫石等可製作成「夢幻沙坑」。

化學反應於振動空間之顏色分布探討

水溶液的化學反應通常具有許多型態,如氧化還原、酸鹼中和等。利用搖晃產生的化學反應,如藍瓶反應,雖可利用搖晃,使空氣中氧氣溶解產生氧化還原反應,但無法控制搖晃的頻率。本實驗裝置可用振動強化水中的化學反應,讓溶液內同時存在不同顏色的氧化還原態、酸鹼值的非平衡狀態並具可再現性。 驅動液體振盪可控制氣體(如O2和CO2)在水中的溶解,在溶液中產生不同的化學模式(如氧化還原態或酸鹼值之差異),藉由向氣液界面持續供應能量來控制溶液中的化學反應,讓溶液的表面呈現特定的圖案,將溶液狀態分離成具特定圖案的反應模態。 實驗中觀測不同共振模態時,所對應的特定頻率與駐波圖案,找出使溶液達成共振的決定因素和條件,進一步探討其應用。

磷酸銀修飾二硫化錫奈米複合結構:應用於光催化二氧化碳還原反應

本研究利用水熱法合成 C-SnS2光觸媒,再藉由化學水浴沈澱法(CBP)將Ag3PO4奈米顆粒還原在 C-SnS2 表面,得到複合半導體Ag3PO4@C-SnS2。我們分別以C-SnS2和Ag3PO4@C-SnS2進行人工光合作用,將二氧化碳還原為可用能源,並探討兩者的差異。藉由電子顯微鏡、X光繞射儀、紫外-可見光光譜儀、傅立葉轉換紅外線光譜儀、X光光電子能譜儀和氣相層析儀,分析樣品的晶體結構、能隙、吸光範圍和二氧化碳還原反應的氣體產物。最後,發現複合物Ag3PO4@C-SnS2的光化學量子效率較純的C-SnS2高,也就是此複合物能有效的提升二氧化碳還原效率。

「糞」力而為-開發生物活體系統分解豬糞可行性之研究

本研究以豬糞、蠅蛆為對象,以自行培養之蒼蠅及蠅蛆,在高床式豬舍養殖環境,將蠅蛆置入豬糞中,以蠅蛆分解豬糞進行實驗。 研究結果顯示: 1. 觀察以蠅蛆作用活體系統用於豬糞處理之研究,確實可行。 2. 檢驗豬糞中之VOCs含量,推算豬糞腐熟及肥料腐熟的程度,證明其有效快速腐熟。 3. 分析蠅蛆分解豬糞後肥料成分,經過種植鮮花及蔬菜之差異,證明確實有經濟效益。 4. 由文獻探討蠅蛆之成分,經過蠅蛆飼養餵食雞隻之差異,證明確實有其經濟效益。 此一方法既省水不沖洗豬舍,又可解決動物糞便之主要環保問題,避免二次污染,且可將豬糞利用轉換得到良好之肥料及飼料,再次回饋農、畜牧業,有利於推廣,真是一舉數得。

漫漫上學路--以空間分析探討專車路徑規劃

高中生就學常面臨跨區的通勤問題,學校專車接送幾乎成為各校必備的交通服務之一,但大部分的學校仍採用人工方式規劃專車路線,不符經濟效益,本研究利用高中所學的地理資訊系統,以南部某公立高中109學年度上學期11條專車路線為研究對象,針對該校一、二年級學生回收有效紙本問卷1,003份,調查搭乘專車需求的人數及建議的停站點,運用環域、疊圖等空間分析,評估既有路線調整及新闢路線規劃的可行性。研究結果顯示,重新規劃4條既有路線及新闢1條新路線,預估平均搭載率可從87.5%提升至93%。本研究希望能提供給無專業交通設計背景的學校行政人員,輔以地理資訊系統為工具,以更有效率的方式來規劃專車路線。

碳為觀止-回收式生物炭吸附光解膠囊

將廢棄物轉質為吸附材是當今趨勢。本研究建立具再現性之碳化程序,將花生菱殼、雞骨龍蝦等製成生物炭,並建立吸附SOP來探討最佳處理參數,最後將其製成回收式生物炭球。 實驗發現動物炭因為含有高比例無機物(97%),可經由酸洗提升生物炭的等重吸附率,雞骨炭因無機物分布位置特殊而具有發展潛力(超越市售活性炭)。整體而言,酸洗能有效提升生物炭吸附亞甲藍(99%)、動物炭吸附甲基橙(39%)能力(活性炭吸附亞甲藍70%、甲基橙2%),生物炭還能夠吸附鈷離子。 實驗以雞骨炭/海藻酸鈉=5來製作炭球,符合材料經濟最大,且吸附效果良好。最後也將自製光觸媒分散至炭球表面,使觸媒炭球吸附染料後能照射陽光再生,重複使用

不離不棄的保麗龍箱-模擬高速行駛下小貨車後斗空氣流動的變化及應用

我們發現了一段離奇的新聞:貨車上的保麗龍箱在快速道路上掉落後,竟反彈回車上,究竟是什麼力量造成的呢?實驗發現,當小貨車行駛時,後端因為形狀而產生卡門渦街,當靠近後斗口中間的渦街把空氣帶入後斗口內,就會造成一個往內的吸力。且隨著速度變快,吸力也逐漸增強(約可增加1.2-2倍)。我們經過不斷測試,發現風洞兩側鑽洞後,會在後斗口除卡門渦街外,另外造成一個上進下出的氣流,所以最後成功的還原出當時比中獎機率還低的新聞畫面。我們也研究這個吸力是否能成為車子前進的助力,經實驗發現,其空氣阻力減少率不論是無門後斗或是另外兩種改良型,都比有門後斗多出20%以上,其中V型後斗門甚至可以接近40%,明顯達到減少汽車油耗的效果。