全國中小學科展

臺灣

三面骰子機率與解析度

本研究探討「三面骰」機率,由直徑厚度比(R/d)入手,製作不同R/d骰子111種各擲300次,計33300次,繪製機率與R/d關係圖。側面機率100%的R/d界線為0.52,0%的R/d界線為8.15,33.33%的R/d範圍為1.86至2.10,三面機率相同時三面面積1:2:1。再分別以面積、環形、球體理論建模,發現理論趨勢與實驗相符(P<0.001***,R2=0.9185)。 另發現其他物理量亦影響機率,進行「投擲高度、初速度、初角速度、恢復係數」為變因的實驗,擲18000次,顯示各參數對機率的影響。於是參考文獻並建模骰子動力理論,精確計算骰子的最終面,但實驗上骰子各面為何仍存在機率呢?我們發現機率來自參數的微擾,而各骰子對微擾的敏感度不同,進而提出骰子對微擾的「解析度」概念,評估骰子的公平性。

捕碳成鈣 鈉麼厲害

為了回收二氧化碳,成為有價值的產物。本研究建立以化學吸收液捕捉二氧化碳,並生成碳酸鈣的流程。在吸收液吸收二氧化碳後的反應液中加入含鈣液,替換出碳酸鈣。以沉澱法、空氣柱法探討捕捉二氧化碳的化學吸收液特性,以變色法驗證吸收原理。以光阻法測量含鈣液的替換效果,並以吸收速率、吸收量、沉澱量、還原率,找出最佳吸收液。結果發現,以氫氧化鈉與二氧化碳產生酸鹼反應的方法固碳,再加入氫氧化鈣替換出碳酸鈣,並同時還原吸收液,循環利用,是二氧化碳捕捉再利用的好方法,不需要額外能量就能將二氧化碳轉換成碳酸鈣。最後研發捕碳成鈣循環裝置,包含二氧化碳吸收槽,替換沉澱槽、吸收液還原槽,展示了在生活中捕碳成鈣的應用潛力。

欲速,〝渦〞可達!

本研究主要探討,定向水流作用於水面下擋體時,在前方形成渦流的變化情形。我們模擬溪流中岩石堆疊,並自製水壓觀測儀、壓力點推論模型、水流強度測量裝置來觀察和驗證,找到穩定形成渦流的環境條件,也發現渦流讓流速變快的秘密。研究結果如下: 一、四種產生自由渦流的岩石排列中,阻擋型渦流出現的位置最集中且固定。 二、阻擋型渦流的產生是因為兩側擋體製造了加壓點,讓下方水快速轉動,形成雙渦合流。 三、水流速185cm/s以上,阻擋型渦流平均持續時間和間隔時間比大於15:1,穩定出現。 四、水位與岩石高度比會影響阻擋型渦流穩定性,比值在1.86至2.14之間時,表現最佳。 五、阻擋型擋體的夾角在120度時,產生最大的水流強度,達到4.22倍的增益效率。

倚「天」屠「龍」記-一種綠色經濟型替代保麗龍材料的研究與開發

傳統的保麗龍材料在製造過程中會釋放出有害的化學物質,並且無法有效地回收和再利用。本實驗使用天然材料製作的替代品更加環保和可持續,因為它們可以降低對石化原料的依賴,並且可以被自然分解。我們採用了一種新的製造方法,研發用最經濟的飼料硬質玉米和高粱加熱爆裂後,作為填充材料,並使用聚乙烯醇和硼酸作為黏著劑。這種方法適用於製造可避震、防火隔熱的材料,除了減少對石化原料的需求,也降低了製造成本。此外,我們還用了蛤蠣殼粉和無毒的清潔劑成分的無患子萃取液,這些材料都比保麗龍更加環保。本組產品呼應全球ESG永續行動,它可以減少包裝材料對環境的污染和傷害,同時具有更好的可持續性,為地球的永續循環經濟盡一份心力。

把影像提升一個維度-影片圖片3D化

本研究以稠密式深度預測為基礎,進行環繞掃描3D還原建模。在這項研究中,我們擇手機作為唯一的外部數據提供設備。首先用手機同時錄影和記錄角度變化、位移數據後,我們同步各數據的時間點,並計算每一幀影像的位置,接著將拍攝的影像輸入深度預測模型轉換成深度圖並將其儲存為點雲,最後利用三維旋轉和平移矩陣將點雲轉回正確的位置以進行疊合。我們開發的3D還原建模系統能夠輸入影像、特定時間點的位置和角度變化來建立3D模型。此系統可以解決結構光掃描儀需要額外標記點的劣勢,且在機動性上較傳統的點對點雷射掃描儀更方便。我們希望可以在未來將這套系統集成為一個手機應用程式,方便使用者在手機上進行相關操作。

隔空取物-利用超音波懸浮控制物體的移動

隔空取物可能嗎?使用3D列印製作超音波懸浮裝置可使保麗龍球穩定懸浮,透過肯特管內共振波形與聲壓標準差的比較,聲壓的節點位置為肯特管波的位移腹點。在一個超音波懸浮裝置形成的駐波中,聲壓節點以外的聲輻射力使得物體被推往節點,因重力影響靜止懸浮在聲壓節點處下方。透過超音波的電壓調整改變共振波振幅,使得共振波節點位置會因為電壓造成的聲壓節點隨時間移動而改變物體位置,但此方式較難穩定控制物體移動方向。最後,我們透過共振波相位差控制改變共振波節點位置可讓保麗龍球穩定懸浮及移動,有效達到控制物體移動的目的。自製可同時改變兩個發射器間的角度及距離的裝置,搭配改變相位或電壓的程式,方便進行聲懸浮的實驗觀察及記錄。

金雞〝牡〞---廢棄牡蠣殼製作重金屬吸收發泡煉石之研究

本研究使用廢棄牡蠣殼,製作可回收、多孔隙的發泡煉石,吸附重金屬以解決水污染問題。由實驗可知,外層牡蠣殼粉末的吸附能力比內部珍珠層更佳。觀察顯微鏡,牡蠣殼的碳酸鈣成分經煅燒後會呈多孔隙狀態,具有更好的吸附重金屬效果,研判是表面積增加所致。 研究也發現pH=10有最高的重金屬吸收量。依據勒沙特列原理,鹼性環境有利於H2CO3⇌H+ + HCO3-正反應的進行,推測是牡蠣殼粉解離生成HCO3-,促進了重金屬的吸附。 自製發泡煉石確實能有效吸附重金屬並可重複回收使用,達到聯合國永續發展目標(SDGs)中SDG 6 淨水及衛生、SDG 14 保育海洋生態兩大核心目標。

探討地衣內酵母菌的存在及與內生真菌的互動關係

本研究旨在探討地衣內酵母菌的存在及與內生真菌的互動關係。首先將採集地衣樣本分類並進行酵母菌培養,從柵欄石蕊(Cladonia parasitica)培養出酵母菌並以其進行研究。我們發現酵母菌在Cladonia parasitica中分布於其主要葉狀體(Primary thallus),並由鑑種得知其為釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。我們亦培養柵欄石蕊等地衣的內生真菌(endolichenic fungi)並鑑種得知柵欄石蕊有Trichoderma afroharzianum、Trichoderma pubescens、Trichoderma simmonsii、Trichoderma reesei等木黴屬內生真菌。亦透過對峙實驗得知釀酒酵母在攝氏10~30度間,無論有無其他菌源下,均能促進Trichoderma simmonsii成長並抑制Trichoderma afroharzianum及Trichoderma pubescens,推測地衣中的酵母菌具有平衡內生真菌,並具有發展為生物農藥的潛力。

小兵立大功-探討火柴棒吊水瓶的科學原理

您相信三支不到1公克的火柴棒卻能吊掛比它重上千萬倍的水嗎? 本研究先從搜尋資料與實際操作的過程中,了解火柴棒裝置能夠吊掛水瓶,是因為吊掛的水瓶重力作用在火柴棒與桌緣接觸的支點上,而且棉線與橫置的第二根火柴,以及直立斜向的第三根火柴棒形成穩定的支架。 接著分別從火柴棒及棉線兩部分來探討不同變因對火柴棒承載重量的影響;最後再試著使用其他材料代替火柴棒,看看是否能承載更重的水。 研究結果得知:火柴棒的長度,火柴棒與桌子接觸的長度、火柴棒加濕的時間、棉線的長度以及棉線的粗細等,都會增加或減少火柴棒所能承載的重量,而使用其他材料代替火柴棒,也會因其粗細或材質的不同,影響所能承載的重量。

以泡致淨~家庭廢水以自製泡沫分離裝置製造再生水

台灣缺水,家庭廢水也因含有清潔劑會造成環境污染,促使我們思考如何用簡單的方式來處理家庭廢水,讓廢水變乾淨,循環再利用。 本組查詢歷屆作品和文獻,發現有人利用泡沫分離法去除污水中的重金屬,但需添加其他物質來處理,而市售廢水處理產品多採過濾沉澱方式,不僅設備昂貴,也需不斷換耗材。後來我們觀察家庭廢水多含有清潔劑,其本身就有起泡特性,又看到魚缸的蛋白分離器結構可淨化水質,我們就進一步延伸自製出不用添加物質即可使用的泡沫分離器,延續去年北市科展作品,今年我們將裝置實際用來處理家庭廢水,實驗證明廢水變乾淨了,每秒最大處理流量約96 毫升,我們並自製腳踏式抽水泵,將處理後的再生水抽到馬桶水箱供沖水使用。