全國中小學科展

臺灣

廢木屑的春天~探討前處理提升木質纖維醣化效率

本研究找出木質纖維廢棄物更環保的前置處理方式:木屑過篩縮小粒徑再利用低濃度硫酸、鹼性過氧化氫溶液二次處理,可以提高酵素水解木質纖維效率,且有效抑制不利於酒精醱酵的「羥甲基糠醛」產生。本研究控溫在100℃以下,酵素水解48小時最高達到84%的纖維分解率與57.2%還原醣產率。實驗設計可以大幅減少金屬離子廢液產生與耗能,也能提升目前業界常用酸處理的產醣效率。實驗發現複合式前處理藥劑的濃度最高只需3%且處理時間一~兩小時,可使還原醣產率比酸前處理增加30%。研究中的前處理用於鉛筆木屑和乾燥的果菜廚餘粉末,也都能達到73~83%左右的纖維素水解率,證明研究設計的複合處理木質纖維高效且節能環保。

等一下!第一名的結論對嗎?-有關凹陷乒乓球如何復原的研究

59屆國展國小組物理科第一名作品提到「球殼內空氣受熱膨脹而造成的壓力增加效果,對凹陷乒乓球的復原產生極小的作用」。實際經驗:凹陷乒乓球一旦有孔就無法遇熱復原,所以想確認實驗。 用自製壓球器確保凹陷的深度與形狀後,確認相同凹陷乒乓球遇熱後沒孔的球可復原,有孔的則不能。利用自製氣壓計確認了59小物作品中球殼內部空氣受熱產生的壓力被嚴重低估、讓凹陷乒乓球恢復所需壓力被高估。 我們重要實驗的結論有二,第一:「氣體受熱膨脹是讓本研究中凹陷乒乓球復原的重要原因」此與59小物的結論不同。第二:我們體驗到同稱作"凹陷乒乓球",差異可能非常大(材質、厚薄、凹陷形狀…),因此還是可能在某些狀況下59小物觀察的現象存在。

「囊囊」上口-新型水膠囊之研發

本研究首創「新型真雙層膜水膠囊」製法:「先製膜再裝水」改良舊式「冰式水膠囊」的限制和缺點,並發現最佳製作濃度為3.0%海藻酸鈉與1.0%氯化鈣溶液組合。此組合製成的水膠囊耐重力為1830gw,是冰式水膠囊的 4 倍之多,耐拉力755.8gw、耐摔力188cm,都遠優於舊式水膠囊,TDS 總溶解固體量19.6mg/L,符合飲用水標準,且其抗穿刺力測試明顯優於市售手搖杯的封膜。至於耐冷熱測試,可耐冷至-18oC、耐熱至100 oC,非常適合冷熱飲之應用。尤其是國內首創之「創意形體膠囊」–三角體膠囊及方形體膠囊的開發,成功包裹各種飲料、佐料與防疫用品。我們的新型水膠囊,無論在雙層膜的創意設計、性質、形體及應用各方面,都提供食品「囊囊上口」、生活環保減塑新契機。

玩水珠珠

本研究主要在探討液滴撞擊薄水液面後,產生的水珠滑行之現象。研究中,我們以液滴滴落高度及底部液面厚度作為操縱變因,測量飛濺出的水珠之各項性質,探討其與變因間的關係,並在用高速攝影機觀察其微觀機制,以及參考相關文獻後,推論滑行水珠的成因與滴落時產生的水冠因普拉托-瑞利不穩定性(Plateau–Rayleigh instability)而破裂有關[7]。我們用三種假設推論其所受阻力特性,配合實驗數據得出其所受阻力與速度成正比,並建立模型嘗試說明滑行水珠存在的原因,以及對實驗數據進行解釋。

咖啡濃度的密碼

想藉科展來自製方便準確的濃度咖啡機。 市售即溶咖啡粉經本研究顯示:(1)咖啡濃度越高測紙殘留色越深。濃度>6.542%達飽和。(2)咖啡溶水呈弱酸,pH與咖啡濃度呈負相關。廠建議濃度1.32%其pH為4.94。pH<4.57時不易判別濃度為不全面的濃度測法。(3)電導度與咖啡濃度呈正相關。建議濃度1.32%其電導度為110mho/cm。電導度在中高水溫時不穩定且無法判斷飽和為不優濃度測法。(4)TDS與咖啡濃度呈正相關。建議濃度1.32%其TDS為600 PPM為可行濃度測法。(5)光敏電阻反應電壓與咖啡濃度呈負相關。建議濃度1.32%其反應電壓為0.32V為可行濃度測法。(6)TDS與水溫呈正相關、光敏電阻反應電壓與水溫呈負相關。(7)運用光敏電阻反應電壓來自製咖啡濃度控制器是可行,準確率約為82~97%。

耦合振盪器於磁場內的運動與理論模型探討

此研究針對磁力耦合振盪器進行理論建構與實驗設計,在理論建構中,我們先以彈力作為外力並推導公式,與實驗數據擬合後發現擬合參數極具參考價值。將磁力引入系統並推導公式,發現其與實驗數值擬合效果也極好。融合上述公式與參數後推廣出能描述振盪器運動模式之運動方程式,以Python數值模擬發現,此方程式與數據十分吻合且能產生波包與頻率下降等真實情況,故推論該運動方程式是有一定價值的。在傅立葉分析中發現了簡正模之應用,且當磁鐵初始距離越短或磁力強度越大時,振盪頻率都會有所提升,而初始位移不會造成影響。而本研究的成果將可透過一已知磁性量值之磁鐵求出另一板簧上物質之磁性量值,進而應用到新型機械式磁性雙板簧的懸臂磁力計設計。

繞遠路的螞蟻

本研究探討螞蟻在一個無向簡單圖上,由原點出發沿著邊移動。當抵達某一點時,螞蟻會選擇和此點相鄰的某一點前進,作為下一步移動,但不能往回走,若螞蟻回到原點便不再移動。已知圖上各點的度皆大於等於 2,試問螞蟻在數次移動後回到原點時,移動次數的期望值為多少? 我們最初是藉由觀察螞蟻經移動後回到原點的機率,推測每次回到原點時的機率之規律,但此方法難以在較為複雜的圖形上得到結果。接著使用了矩陣來研究,以矩陣乘法表示一次移動。有了矩陣,我們便能透過矩陣運算得到螞蟻在數次移動後抵達各點的機率,也能更方便的求出期望值。

扇扇「模」法師-探討影響沖積扇外形的環境因素

本研究藉由文獻探討和實地探勘了解沖積扇的外觀特色,並以模擬實驗探討影響沖積扇形成的環境因素。研究結果發現沖積扇的形成過程包含了堆積與擴散的過程,河流帶來的沉積物顆粒較大時,堆積作用較明顯;而沉積物顆粒較小時,沖積扇的擴散作用較明顯。支流坡度的增加與降雨時間拉長都會導致沖積扇的堆積與擴散作用明顯提升,而降雨強度的增加會明顯增加沖積扇的擴散作用。本研究也發現沖積扇上的建築物,須遠離河岸、扇頂、扇端,才可大幅降低未來災害的危害。希冀透過本次研究更了解造就沖積扇外形的因素,也能應用於土石流發生前的防災與離災工作。

自製天然漢方賦活洗髮液—探討洗髮精製作

天然中草藥是東方人崇尚的健康養髮方式,於是我們萌發了自製漢方洗髮精的念頭。我們先以市售洗髮產品訂定檢測洗髮精的標準,再以胺基酸起泡劑做為基底混合椰子油或弱酸性起泡劑測試不同比例洗髮精基底的清潔效果;結果顯示出:添加椰子油起泡劑比例越高時,去油力與去汙力都會增加,但沖洗的時間也越長,需耗費更多的清水才能洗乾淨。添加弱酸性起泡劑可增加起泡力,而去油及去汙力,則在添加比例至5%時,清潔的效果最佳。我們於是決定用胺基酸起泡劑25%搭配弱酸性起泡劑5%的比例,做出洗髮液基底,並用皂莢、何首烏、當歸及乾薑熬煮出來的萃取液取代原本的水,再利用食鹽來增加洗髮液的稠度,調和精油來滋潤髮絲,便製成了天然漢方賦活洗髮液。

運用疾病軌跡搭配深度學習偵測胰臟癌風險

目的:在台灣,胰臟癌雖非癌症發生數最高,但85%為末期,五年存活率小於5%,有癌王之稱。如何早期偵測胰臟癌風險,一直是醫療上的重大議題。本研究運用時間矩陣搭配深度學習進行大量變數之胰臟癌風險偵測。 方法:健保資料庫收集國人疾病、用藥等結構化資料,可藉此反映每人健康狀態。將三年內診斷與藥物碼轉為時間矩陣,以卷積神經網路訓練,訓練組與測試組比例為9:1。 結果:共計案例組1095名及對照組10950名,訓練後測試組表現之AUROC(area under the receiver operating characteristiccurve)為0.937,六十歲以上及以下AUROC分別為0.846及0.897。 結論:結論:能將診斷、藥物、時間轉成矩陣,是以疾病軌跡預測胰臟癌風險,且能找到新特徵,未來搭配健康存摺,為低成本、快速、大量的胰臟癌數位快篩。