全國中小學科展

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三等獎

自轉易導致presupernova階段 ? 探討恆星自轉於演化過程及最終狀態扮演之角色

自轉是塑造恆星演化的關鍵物理因素(A. Maeder et al. 2012),然而,在一些研究當中,模擬恆星演化仍會選擇忽略旋轉的影響(Pietrinferni et al. 2004),這開啟了我探討自轉在恆星演化扮演的角色之興趣,於是展開以下研究。MESA(Modules for Experiments in Stellar Astrophysics)為一專業天文物理界中普遍使用之電腦程式,能模擬各種恆星演化場景,本研究藉由MESA模擬不自轉至具自轉程度差異之恆星演化模型,探討其演化過程之變化及最終狀態之差異。研究結果分析發現自轉混合導致不同殼層位置之元素有更好的對流性,因而產生較好之化學同質性質 (Chemical Homogeneous),而自轉效應在驅使恆星進入presupernova階段亦有一定程度的重要性。

使用低成本生物可分解離子液體電解質之鋁空氣二次電池

本研究創新使用一種生物可分解之離子液體作為鋁空氣二次電池之電解質。與文獻上使用的高價且含毒性的咪唑類離子液體相比,本研究合成的離子液體原料為甘油與氯化膽鹼,均為成本低廉且對人體無害的環保材料。延續過去參加新竹市中小學科展題目「可撓性輕量化鋁空氣電池」的成果,此次國際科展的內容更進一步延伸為可充電式的鋁空氣二次電池,除了電解質的創新外,亦包含電極方面的革新,如陽極除了採用純鋁外,另探討使用鈦鋁合金來減緩腐蝕。在空氣電極方面,除了添加活性碳來增加吸附氧氣的表面積外,另添加二氧化錳來增加氧氣還原的活性。

不同造波條件對於表面回流及波形的分析與探討

因參加TYPT台灣青年物理辯論競賽,初步認識了此現象──當一個橫向放置的圓柱造波鼓在水面上垂直震盪時,引起的表面水流逆流。當造波鼓振動的最大加速度達到了臨界值,表面的粒子行進方向就會與波的傳播方向相反。我們查詢了有關此現象的文獻,驚訝的發現,此現象目前還沒有理論可解釋。於是我們便以自製的實驗設備,開始探討在不同的振動情形下,表面流會如何變化。 以目前所獲得的數據,我們推斷反向的流動與造波鼓排開水的體積及造波鼓前排列的波包有關,而回流只是補償流的性質,且水表循環之貢獻遠較水面的流動下顯著。根據為不同厚度的造波鼓有不同的回流臨界加速度,且縱向的水流循環強度遠較水表循環弱,前者速率大小約與後者相差一數量級。 我們也利用閃頻儀分析了不同條件下水波的波形,並利用Poincaré map將其分為兩類,分別對應到表面的出去流與回來流。

由擬馬克夫鏈探討臺灣地區總統選舉民調

本研究目的主要是設計一套數學模式以探討臺灣地區選民投票抉擇的穩定與變遷,以及媒體的選前民調的準確度分析。研究中以馬克夫鏈分析臺灣地區選民投票抉擇的穩定與變遷,經研究發現臺灣地區選民投票抉擇乃屬於不穩定狀態。 為避免選民因接收到不準確的資訊而改變自身投票抉擇,致影響選舉結果,本研究以科學性方法探討分析了臺灣地區主流媒體公布的民調結果。研究中使用總統選舉的選前民調,透過本研究所提出之「擬馬克夫鏈方法」預測選舉結果,再將此結果與中選會公布的實際選舉結果進行交叉比對以評估其準確度。 本研究希望可以提出有效工具透過逆向工程方法來適時監督媒體,降低可能影響選民投票抉擇的人為操作,讓民調對於選民的投票抉擇有正向幫助;而透過較精準的民調以使未來選舉結果可以更進一步貼近民意,讓臺灣能邁向更好的未來。

由正2n邊形與一點所衍生的三角形面積比值問題

本次研究的靈感來自於能力競賽中,一道證明由六邊形內部一點P所導致的面積比值為1的問題(詳見第6頁)。這份報告主要的目的,在探討推廣到正2n邊形內部時的情況,求出將P點移至外部時任一點的面積比值,並進一步討論面積多次方之問題。 這次研究利用GSP協助了解圖形的性質,並善用解析幾何和輔助線作圖。報告中的許多證明,可以用「各個三角形的高相加」的觀念搭配三角函數運算做出結論。 文中結果顯示,除了證明:當P點在正2n邊形內部時,必滿足面積比值為1外,並提供了當P點在正2n邊形外部時,面積比值的各種可能性。其證明方法,可作為解決正2n邊形面積問題的重要參考。

北極震盪指數與北緯40度以北海溫距平值之相關係數探討

研究指出近年中高緯度天氣異常與北極震盪有關,本研究探討過去30年間北極震盪(AOI)、北大西洋震盪(NAOI)與南方震盪(SOI)特性及其間相關性,發現AOI與NAOI全年各月達中度相關以上,代表北極震盪暖相位時,西風有增強的趨勢,有利反聖嬰發展,說明海溫與北極震盪的連結。 分析2004至2013年北緯40度以北海溫資料,以月為單位各海域海溫距平值與AOI之相關係數,結合洋流圖進行區域互動之分析。發現當AOI正相位時,北大西洋暖流有增強的趨勢,與西風增強有關;海溫變化部份,6月、7月北緯85度以上北極海域低溫,應和夏季融冰或冷空氣封鎖極區有關,顯示高緯度海溫與北極震盪間的互動關係。

內皮素對稻田魚(Oryzias latipes)胚胎適應酸環境之調節

哺乳類的內皮素(endothelin-1 ; EDN1)與其受體endothelin receptor B己知可共同參與腎臟排酸功能之調節,在魚類的表現上,亦有研究指出EDN1會影響到斑馬魚的排酸。本研究中以廣鹽性魚種稻田魚(Oryzias latipes)仔魚為實驗對象,經6小時以上時間酸處理後其體表排酸量皆顯著增強,且經6小時酸處理後,仔魚rhcg1及內皮素受體EDNRA2的基因表現量也顯著增加,並發現當弱化(knockdown)仔魚的endothelin-1基因後,其體表排酸量顯著下降,證實endothelin-1對仔魚排酸作用有直接的影響。而當仔魚endothelin-1的基因表現被抑制後,其離子細胞密度以及離子通道蛋白基因表現不受影響,推測內皮素並非以增加離子細胞的方式影響排酸,而是藉由轉譯後調控途徑,使其排酸功能增強。另外本研究中再將6小時及7天酸處理實驗結果比對後,推測當稻田魚仔魚面臨短期或長期酸環境刺激時,內皮素調節機制亦略有不同。

光動力化合物的合成及應用

光動力療法為一個新興癌症治療方式,包含三大要件:光、光敏劑、氧氣。其概念為利用合成的錯合物嵌入細胞核DNA,藉由特定光激發後,將能量傳遞給氧及水分子形成自由基,進而毒殺癌細胞,達到治療惡性腫瘤的目的。 本研究利用NNO-Schiff base,成功合成出一系列的二價銅錯合物,針對不同的配位基及共配位基、濃度、光波長利用DNA裂解、細胞毒性測試,探討結構活性的關係與作用機制,以利研發相關藥物的研究,另外,錯化合物吸收波長可延伸至可見光─藍光,進而大大提升其應用的價值。

A 100% Solar Electric Vehicle: Applying high efficiency solar modules in sustainable transport

As our planet suffers the effects of climate change, it is only a matter of time before society will have to centre all aspects of development around sustainability. In the past, clean solutions for transportation have been dismissed due to the higher cost, and lower efficiency than fossil fuels. However, in the past few decades, there has been a steep decline in solar module cost, and and a steady climb towards higher efficiency. From my findings in this project, I have concluded that we are now at a point where we can embrace the clean, renewable potential which our sun offers. I have created and tested a proof-of concept electric vehicle (Solar EV), which can run indefinitely during daylight hours, provided sunny conditions. There are several mechanical features of my project which highlight the potential that renewable energy in transportation can have. Firstly the vehicle’s 500W motor is powered by 3 100W solar modules, and 3 50W modules, for a total of 450W or power generation. This means that when driving at anything less than 90% throttle, the Solar EV can run continuously without needing to stop to charge or refuel. Another design mechanism installed in the vehicle are three 12V lead acid batteries. These batteries allow the Solar EV to be powered for over 1.5 hours, which is useful during cloudy conditions, night, and most importantly, when driving through areas of shade. A unique efficiency component designed into my vehicle is the linear actuator I installed into the module racking system. This design element allows the tilt of the modules to be altered, to maximize the efficiency of the solar module array. At early or late hours of the day, it can be heavily tilted with the press toggle switch, or kept at a relatively flat level when the sun is the highest in the sky. I ran a series of trials to figure out whether or not the theoretical data matches up with the experimental results. After my series of trials, the bike was yet to run out of power. The solar vehicle reaches speeds up to 32 km/h, however comfortably glides at around 25 km/h. The linear actuator I installed allows the solar modules’ tilt to change . During different times of day or year, the sun is at different heights in the sky, however it is very important to maximize the solar potential. With the press of a switch, the module can be actuated to account for this. Lastly, regenerative braking captures the energy from braking. Using the reversible nature of a DC motor with a specialized motor controller responding to feedback from the brake actuators allows the vehicle to reuse energy that would otherwise be wasted as heat.

「乘」「乘」有序—乘二數列及乘五數列的探討

有一數列從1開始,下一項為前一項個別數字乘以m,其中m為一正整數,2≦m≦10,將此定義為乘m數列,本文以兩大部分來架構出乘二數列及乘五數列的性質,討論數列的區塊結構,進而判斷數字是否為乘二數列或者乘五數列的其中一項。接著再進入針對位數規律的討論:依照乘m數列的規律,讓人聯想到可以透過其位數的有向圖D(directed graph)與鄰接矩陣A(Adjacency matrix)進行轉換,再利用矩陣計算來求證遞迴關係式,進而求出生成函數和特徵方程式,最終獲得乘二數列及乘五數列的位數估計函數,以解決原先獲知此種數列時伴隨之相關問題。研究的最後發展出乘二數列及乘五數列之間的連結,加入了與乘二、乘五、乘十的規則的關係。未來希望能研究其他乘m數列並發展出共通性。