全國中小學科展

四等獎

水流曲面與初始物理量值關係之研究

在理想狀態下,由一個圓形且開口面平行於地面的水龍頭開口中流出的水柱會呈現一以 z 軸對稱、切面積往 z 軸負向遞減的圓形疊合曲面。此曲面形狀受到下列三種物理量值影響: 一、水流在水龍頭開口瞬間速度(在此稱之為初速度) v0 二、水龍頭圓形開口半徑(在此稱為初半徑) r0 三、重力加速度 g 為了更清楚瞭解此曲面性質及在不同狀況下(三種物理量值改變情況下對曲面的影響),故提出下列問題在研究中探討: 一、這三種物理量值,對曲面形狀的影響為何? 二、這三種物理量值,對曲面曲率影響為何?

開發低水體高水壓養殖系統以優化養殖成果

水產養殖已成為本世紀重要的水產品供應源,多數水生生物需生長在一定的水壓下,才可穩定成長進而達到性成熟及產生子代,而陸池養殖無法產生相對應的水深壓力環境,導致水生生物成長及性成熟困難的困境。本研究提出創新的低水體(水深10.5公分、容量14公升)模式,使用加壓調壓器材、水冷機、過濾系統等自製一個密閉、具穩定調控高水壓、可觀測生物、穩定水溫及水質淨化再利用的循環養殖系統。以本系統進行高水壓(1 kg/cm2 ; 約10公尺深)及次高水壓(0.5 kg/cm2 ; 約5公尺深)分別養殖淡水螯蝦及海水白蝦,結果顯示此些生物皆呈現體色較深及成長速率較快的現象,證明此高壓系統有利其生長。本研究以環境友善為出發點,採用低水體壓力調控方式,營造水生生物適合的水壓環境,未來可應用於水生生物的性成熟養殖操控或特殊養殖等研究,預期將可多元發展且極具發展潛力。

蚊幼蟲與搖蚊幼蟲在水中分布與其血紅蛋白基因表現之關係

蚊蟲呼吸透過氣管系統,本研究假設底棲孑孓與搖蚊幼蟲具備血紅蛋白系統以擷取氧氣。戶外採集8種孑孓和1種搖蚊幼蟲,錄影觀察白腹叢蚊、竹生翠蚊和鹽埕搖蚊幼蟲長時間停留底層;家蚊、斑蚊則反覆上下至水面呼吸。顯微鏡下發現白腹叢蚊幼蟲體壁內側充滿紅點,色澤隨著富氧或缺氧而變化;然二種斑蚊則不明顯。PCR增殖6種蚊蟲和1種搖蚊血紅蛋白基因片段並建構親緣關係樹。定量RT-PCR顯示,白腹叢蚊與鹽埕搖蚊在缺氧條件下,血紅蛋白相對表現量分別增加5倍和150倍,上層埃及斑蚊和白線斑蚊則增加3.9倍和1.5倍。西方墨點法證實孑孓缺氧條件下,17-kDa血紅蛋白皆有大量表現。本研究首次確定6種蚊蟲具血紅蛋白基因,證明孑孓血紅蛋白基因在缺氧下的表現量增加,包括mRNA與蛋白質。此等反應氣候變遷,暖化導致水溫升高與低溶氧條件下,蚊蟲可能有因應環境改變的呼吸機制。未來將進一步標幟血紅蛋白在蚊幼蟲體內組織之表現與其他環境變因之影響。

護「灘」神「扇」— 風扇擾流應用於延緩突堤效應

本研究以維繫現今環境,使人類保有生存優勢為前提,旨在探討於海水面下裝設風扇,藉風扇擾流改變沿岸流所挾帶漂沙之沉積分布,延緩突堤效應造成之負面影響。研究先以煙霧觀測五葉、七葉及九葉風扇擾流情形,再透過水流及螢光沙模擬安平商港外海,取得裝設各風扇後漂沙沉積變化過程。除可用於預測近表層沿岸流沉積外,也可套用於海底恆流。未來期望針對流量、流速與地形坡度等作出量化數據,以求得函數模型。另外,亦期望發展洋流發電、綠色能源等各種應用。

群魔亂舞的水精靈──探討滴簇在熱水表面的物理現象

本研究探討滴簇的性質與行為,高溫穩定水溶液表面上會有一層水霧般的霧滴層,像是平貼飄浮在水面上,此水滴群為「滴簇」。本研究拍攝下熱水表面的滴簇,並使用ImageJ、Python分析滴簇粒徑等性質以建構物理模型。 藉雷射光凸顯滴簇,觀察滴簇的形成與消失過程。利用被雷射打亮的滴簇在水面的倒影,測量滴簇距水高度。滴簇由5~15μm厚蒸氣層撐起漂浮在水面上,水溫越高,蒸氣層越厚。華(繞射光像)半徑取決於水滴粒徑,本研究分析陽光經水面反射通過滴簇形成的華,測量滴簇粒徑10~20μm。由以上實驗推測:滴簇是高溫蒸氣層接觸低溫的室溫空氣凝結成,溫差愈大凝結量越多,粒徑、數量隨之上升。滴簇會因對流、氣流擾動集體離開水面,留下一道滴簇少的空隙,此現象為「絲狀剝離」。滴簇剛形成時粒徑小,吸收水氣後變大,因此絲狀剝離帶上少許滴簇皆是粒徑較小的滴簇。

應用牛血清蛋白的光交聯性質製作液體繃帶

此研究主要在開發可包容藥物、可客製化且可黏著在皮膚上的液體繃帶的新方法。我們將脈衝雷射光聚焦於混有光感物質的血清蛋白,利用光化學交聯原理,在玻璃基板上製作出微米尺度的蛋白質膠體。我們先最佳化溶劑、焦距及照射時間。接著利用配有精密移動平台的光學顯微鏡,控制照光位置及照光時間。光學顯微影像清楚呈現膠體之形貌,展現可製作成微米尺度之蛋白質膠體陣列或設計之文字圖案。接著以綠色螢光分子模擬藥物,嘗試製作包容藥物的蛋白質膠體。穿透光影像顯示模擬藥物不會改變膠體之形貌,而綠色螢光影像則證明模擬藥物已保留在蛋白質膠體上。最後我們將蛋白質膠體陣列製作為液體繃帶,並成功將蛋白質膠體轉移且黏於模擬人類皮膚的豬皮上。本研究展現進一步發展為大面積、可客制膠體陣列、可摻入藥物的液體繃帶之可能性。

變動磁場下磁浮振盪的運動分析

此研究期望找到穩定磁浮的方法及探討產生磁浮振盪的變因。首先利用吸附上鐵材的磁浮體,觀察其造成的磁浮減震。實驗過程藉由變動磁場,發現週期性變動的磁通量對鐵磁體的磁化及渦電流產生影響,進而改變磁振盪振幅。本實驗也利用了磁場的橫向位移帶動轉動中的磁浮體,藉此觀察磁浮體轉動對磁浮穩定的影響。研究結果得知磁場的交變頻率越大,會導致磁浮體所受斥力增加且鐵磁體形成的減振效果減緩。而磁浮體的轉速越快,周圍磁路分布越平均,越容易穩定隨載具移動。

一種新的複音音樂片段相似性度量

平常聽音樂時經常有種似曾相識的感覺。為了描述這種感覺,我們展開了複音音樂片段相似性度量的研究。因為曾經使用過最長公共子序列實作卻效果不如預期,我們將音樂片段正規化後,視為座標平面上的時間、音高點對的集合,使用點對應與二分圖匹配的方法,定義兩個複音音樂片段的相似度為最大權重匹配的平均邊權。我們計算了資料集(JKUPDD)中相同、相異的音樂片段的相似性,調整算法中的參數,找出最適合的參數組合,並且透過音符之間的權重,畫出自相似度矩陣,發現樂曲中的重複片段。

「洞」「築」先機—預先戳洞提升綠豆耐鹽能力

閩南語有句俗諺:「打斷手骨顛倒勇」,人能在受傷後成長,越挫越勇,那植物呢?本研究發現,綠豆葉片在預先接受戳洞的物理刺激後,對生長不僅不會造成負面影響,更反而能提升綠豆耐鹽能力!隨著戳洞數增加或是延長戳洞後放置時間,皆能增強綠豆的耐鹽能力。深入研究結果顯示,戳洞刺激可能藉由鈣離子作為訊號傳遞分子,最終提升綠豆體內抗氧化酵素活性,藉此降低植物在逆境下的氧化傷害,提升其耐鹽能力。未來期望能將研究成果推廣至農業應用上,使其在面對天災人禍時,可以減少農損。

選擇相對論-研究零元效應與需求強度關係

「零元效應」所指的是消費者面對同類性質之高低價兩商品,當低價商品從原價降至零元,而高價商品同時等量降價時,消費者對低價商品之偏好將顯著增加,並且因確定性效應、損失規避及稟賦效應造成。研究目的驗證零元效應的強度與成因,設計實驗零元效應於不同消費領域、族群是否皆成立;設計兩種商品,A為高品質高價位,B為低品質低價位,兩種定價情況,定價情況1,A商品為A元,B商品為B元,定價情況2,A商品為A-B元,B商品為B-B元(零元)。實驗結果使用Wilcoxon 等級和檢定,以需求光譜進行分析,並與 Dan Ariely (2007) 實驗結果進行比較,發現其差異不大;結果發現受試者身分不影響零元效應存在,除「必需品」外,其他品項皆存在零元效應,並且發現零元效應的強度受需求強度影響,若需求越強,零元效應將越弱。需求遂受試者環境影響改變,故不同國家將有不同結果。