全國中小學科展

2016年

高效率藍光LED路燈的再改造及應用

行政院逐漸將全國的路燈更換成LED,又為了達到高亮度且省電的效果,多是採用100 lm/W以上的A級產品。這些高亮度的LED,在出廠的時候全部都被訂走做路燈,一般市面上買不到,零售的多是40 lm/W以下。但路燈只要有一小部分損害就要全部丟棄,有時只是變壓器壞掉而已。半導體的製程往往需要花費很高的成本,或是污染環境的代價,不該就這樣被丟棄。 本實驗嘗試著將路燈LED改造成植物生長燈。將路燈上的Y.A.G.螢光劑移除後,就是一個高效率的藍光LED。再塗佈LED專用的紅色螢光粉,使之發出植物生長需要的紅藍光,研究搭配不同的濃度或厚度,可發出不同比例的紅藍光。將所有實驗成品送至大學做積分球測量,發現自製植物生長燈電費與白熾燈相比可省下82%,與市售植物生長燈比較則省了37%。雖然LED專用的螢光粉很貴,但其實每顆所需的量極小。LED是回收來的,所以燈的成本很低,同時也省下可觀的電費。 五年前不太有人重視回收手機裡的貴金屬。隨著智慧型手機普及 現在卻可能是個大商機。同樣的,回收路燈再製成植物生長燈。隨著LED路燈全世界漸漸普及,回收再製高效率LED。未來會是個無限商機。我利用手工製作或許成果有限,但希望這個創意能被大家看見。

液滴凝成奇異形狀的研究

乾冰上方放一銅片,在銅片上方滴一液滴後,液體由下向上凝固成冰,最後在頂端形成圓錐形、圓弧形或煙囪形等三種不同奇異形狀;這些奇異形狀的形成取決於液體的分子力以及液體分子和冰之間的附著力大小,亦即由接觸角所決定。利用微積分可推導出接觸角、頂角、以及冰液相對密度間的關係式。 水在凝固過程中,利用Hele Shaw Cell量得接觸角為90°,水滴頂端凝成頂角65°的圓錐形。乙醇水溶液和葡萄糖水溶液的接觸角均隨溶液的濃度的增加而遞減且均小於90°,液滴頂端都凝成圓錐形。氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化銨等四種不同濃度(0.75m~3m)的氯化物水溶液,高濃度的液滴頂端形成圓弧形,低濃度者形成煙囪形,濃度居中者形成圓錐形。2m的氯化銨水溶液液滴頂部先凝成煙囪,煙囪內再向上長出圓錐形。由推導出的關係式可解釋這些液滴凝成的奇異的現象。

亞硝酸態氮作為葉菜氮源的可行性研究

氧化氮(NO)近來被發現是動植物的抗病機制之一,植物吸收的硝酸態氮需先還原成亞硝酸態氮才可能形成NO及還原成銨。本研究目的在了解葉菜作物能否利用亞硝酸態氮作為氮源。研究亞硝酸態氮對小白菜、油菜、青江菜、針葉萵苣、及菠菜的發芽和硝酸態氮的差異,進而水耕研究對小白菜及菠菜生長及吸收速率的影響。研究結果顯示亞硝酸態氮對小白菜、油菜及青江菜芽期的生長皆優於硝酸態氮;針葉萵苣芽期亞硝酸態氮處理與硝酸態氮處理差異不顯著;菠菜則顯示亞硝酸態氮顯著抑制芽期及栽培期生長,甚至芽長低於只加水處理。水耕研究小白菜吸收亞硝酸態氮的比率高於硝酸態氮,菠菜相反。提高亞硝酸態氮比率,降低小白菜陽離子鉀及鈣吸收,提高氯離子及硫酸根等陰離子吸收。幼苗時期提供高濃度亞硝酸態氮,成菜吸收氮重增加,這是值得更深入研究的主題。

以時頻分析方法量化自主神經活性

許多疾病與自主神經活性息息相關,例如睡眠呼吸中止症。現有的分析方法,例如頻率分析法,將心律變異訊號(HRV)訊號假定為平穩過程,使得我們只能得到這段訊號內的平均值,無法知道其即時資訊。本研究成功以短時距時頻分析轉換(Short-time Fourier transform)配合重新分佈方法(reassignment method)來分析自主神經系統的活性。藉由觀察隨時間變化的頻率,我們可以得知即時的交感神經與副交感神經活動。本研究可延伸應用於睡眠呼吸中止症的診斷。

基於擴充實境之室內影像定位導覽系統的設計與研究

本研究基於擴充實境設置出一套全新的視覺里程計,並以此為基礎建立出一套創新之定位系統。藉由電腦視覺領域的計算方法,本研究藉由計算以參考影像設置的世界座標系與相機座標系之間的轉移矩陣,將其旋轉矩陣與平移向量得出,便可得知相機與參考影像中心再三維世界下xyz軸的距離差,以及相機所面向的方向,同時利用擴充實境進行虛擬物件的投射,達到提供使用者資訊的效果。此定位系統有別於傳統的定位方法,不需要參考點,僅需得知一影像與其尺寸大小便可建立,無需任何發信器,可被定義為一種全新的定位方式,因此在設置上極為簡易。同時,本研界之定位系統在選用30cm x 20cm的參考影像時期量測誤差僅於2公分以內,每0.067秒可完成一張影像的計算,經本研究之評估,可與感測網路、機器人、以及美術館導覽的廣泛領域的未來應用結合,兼具實用性與未來發展性。

百香果捲鬚之扭轉運動對其向觸性與拉力的影響

本研究首先以改變捆束物的位置,測試百香果捲鬚的反應。發現捲鬚在幾乎無生長的情況下,可多次改變扭轉方向,搜尋捆束物。接著本實驗製作三種不同支架,模擬不同捆束條件。發現捲鬚捆束物體後若遇較大阻抗,可預先發生扭轉運動,再差異化生長,使得捲鬚一側生長較快,一側生長較慢,而形成彈簧狀。本實驗測量彈簧狀捲鬚的多項形態測量數據(如粗細、外徑…)以進行幾何與實體模型的模擬。由模型可發現:捲鬚預先扭轉的角度越大,則可施更大的力拉近基部與捆束物的距離。此外,捲鬚的特定直帶狀區域,會扭轉至彈簧的內側,此區域也是捲鬚在捆束物體前,藉扭轉運動轉向與捆束物接觸的地方。 由解剖橫切面構造顯示,此直帶狀區域在彈簧狀捲鬚形成後,會在捲鬚中心近髓的木質部逐漸出現加厚的細胞,使橫切面成不對稱的構形。依據幾何模型推導,不對稱構形會使彈簧在受拉力而發生扭轉形變時,縮小彈簧的環直徑。此現象應有利提升彈簧狀捲鬚的拉力耐受力。

Chlorambucil類似物的設計合成 比較新的合成物與傳統化療藥物對DNA鏈內交聯的能力

癌症的化療藥物常藉由DNA 鏈間交聯造成癌細胞的凋亡,如瘤克寧錠,一種苯胺氮芥的抗腫瘤藥物,雖在臨床上已廣泛使用,但仍有以下缺點:進行交聯時,會造成DNA的彎曲;易被水解;成功的交聯機率很低。造成這樣的主因是其兩個氯間的距離為7.2 Å,比DNA的鏈間距離8.9 Å短。為提升鏈間交聯的反應速率,本研究參照了瘤克寧錠的結構而進行改良,使氯間的距離增大為8.9 Å,並成功合成設計的分子--COOH-SW。接著透過導入鳥嘌呤四股去氧核醣核酸 (G-4 DNA)導引基團 (BMVC),以BMVC-C3M (傳統架橋距離)與BMVC-SW (增加作用端的距離)比較架橋距離對交聯能力的影響。 透過與不同 G-4 DNA 結合後DNA 熔點的測量、圓二色光譜、吸收光譜及螢光光譜的變化,得知 BMVC-C3M 與 BMVC-SW 對於 G-4 的非共價結合能力相當;進一步利用變性膠體電泳及化學足跡法分析,可以知道其與 G-4 的烷基化能力也相當,且作用在附近的鹼基上。最後利用質譜比較鏈內交聯的能力,由結果得知,增加作用端的距離確實能有效改善鏈內交聯的能力。未來期望探討實際上對於癌細胞的抑制活性,希望能改善瘤克寧錠在傳統應用上使用的困境。

以分析層級程序法探討公有出租住宅租屋需求─以台北市為例

本研究旨在探討租屋者對於租屋影響因素的優先順序及分析影響租屋者期望公有出租住宅面積及租金的主要因素。 研究對象為台北市20至45歲的租屋族群,以網路問卷的方式,利用分析層級程序法獲得租屋者租屋考量前三順序為「租金水準」、「生活機能」及「交通便利」。此外,就租屋對象考量,本研究以家庭月收入、年齡及家庭生命週期區分不同租屋族群,以變異數進行資料量化分析,研究結果指出影響租屋者選擇公有出租住宅的主要因素,有面積大小及租金水準及家庭人數。 近年來,公有出租住宅議題受到熱烈的討論。我們期望本研究成果,能作為台北市政府訂定公共住宅政策之參考,以制定最適切的租屋政策。

正多面體之皂膜最小表面能之探討

本研究旨在探討肥皂泡膜在正立方體所產生之皂膜形狀,以物理表面張力及數學最小曲面來作分析。在皂膜實驗中,我們分別控制模型大小、溫度、皂液濃度及傾角來觀察皂膜形狀的形成時間及現象。在數學論證當中,我們利用數學軟體Geogebra 5.0幫助我們進行皂膜最小表面積的計算及模擬。最後提出現象解釋及應用。 本研究創新之處在於以數學動態軟體模擬並解析物理實驗,以更精準地計算進行皂膜形成的力圖分析。並解釋先前數學理論研究[3]與物理實驗及現象之間的差異。此外,我們亦將進一步改進實驗技巧,以利實驗與理論的對照與分析。

命中「助」定-間接互助模型的探討

每個人都有需要幫助的時候,當你遇到一個需要幫助的人,你會如何反應呢?有些人總是樂於助人,有些人選擇獨善其身,有些人則是會先觀察對方是什麼樣的人再做決定。這些不同的決定會交織成出什麼樣的故事呢? 我們假設社會上有三種人: 總是願意幫助別人的Cooperators、永遠不幫助別人的Defectors、依據人們過往的行為來決定是否幫助對方的Discriminators;由於cooperator和defector的行為是固定的,顯然discriminator的助人行為會有決定性的影響,因此我們從學者Berger的論文出發,修改discriminator決定是否幫助他人的判斷準則,架構了兩種間接互助模型並與Berger(2011)的工作做比較,觀察這些改變的影響,計算三種人的比例與彼此幫助率的關係。 Discriminator遇到不同的人會有不同的決定,隨著時間的推進,Berger在論文中已證明了他們的行為會趨於一致,並提出一種演化機制,探討三種族群之間的流動。那麼在我們提出的兩種模型中,discriminator的行為是不是也會趨於一致呢?因此我們證明了discriminator助人行為的收斂,也提出了一個新的演化機制,試圖用不同的觀點詮釋三種族群間的流動。 在我們的互助模型中,當使用Berger(2011)的演化機制時,演化行為只受discriminator佔全體比例的大小影響;然而若使用我們提出的演化機制,不論discriminator的比例為何,演化行為只會由 cooperator與defector 的比值決定。如此,我們便能刻劃出:可以使模型中所有的人至終演化成為 cooperators,理想中大同世界的範圍。