全國中小學科展

臺灣

濁水不犯清水-探究涇渭分明成因

涇渭分明是世界上少見的河流現象,濁水與清水可以各自分流互不混合。此次研究透過實驗,改變兩水體流量差、匯聚角度、水體泥沙濃度、水中鹽濃度探討濁水及清水混和程度,並藉由水體顏色的透光程度數據化實驗結果,並透過程式與圖表進行推演,得出影響混和程度的變因及其相關程度。 根據實驗數據,角度越小、清水大於濁水的流量越大、濃度在一定範圍下,河流分明的現象將越明顯,然而礙於實驗尺度不如自然界,實驗結果存在臨界值。而此結論與自然界狀況做對照亦有類似結論。 整體來說,分流現象是多種自然因素下的結果,單一因素的討論難以完整表達全體效果,但可以看出其趨勢,以及對於涇渭分明現象的影響程度。

旋葉構型對泵浦抽水優化之探討

旋葉之細部結構跟泵浦效率有密切的關連[1,2],本研究專注探討不同幾何形狀旋葉構型之效應,我們先利用3D列印快速成形之技術優勢,做出50種不同的旋葉,分別有圓弧形、橢圓弧形及直立形進行實驗測試,並計算其總效率找出最高值的旋葉,編碼為A2-ea281-ia279-8。 將最高值旋葉,套入田口法進行優化,目標是望大。經過信噪比及均值分析後,發現影響總效率之最大參數是旋葉數,其次是出口角,最後是入口角,田口法中得出,重新設計的更細部參數的最佳旋葉是A2-ea28-ia23-8,同時利用機器學習建立迴歸函數模型,透過訓練的模型,預測出效率值,最後經過COMSOL Multiphysics軟體模擬檢測出A2-ea28-ia23-8依然保持最佳的內部流場狀況,並運用自行設計之簡易透明泵浦,進行測試與印證。

冰棒棍骨牌模型建立與運動分析

本研究主要研究冰棒棍骨牌在崩解時波峰的軌跡,並且逐步分析物理原理。首先,討論冰棒棍的基本性質,接著拍攝崩解時的影片,並分析產生眼鏡蛇波的原理,過程中發現了不同的排列順序會分別產生眼鏡蛇波或C波,以及當以眼鏡蛇波結尾時,波峰都會有一個旋轉的現象我們使用了Tracker程式來追蹤冰棒棍骨牌崩解時的波峰軌跡,且發現大部分冰棒棍軌跡都呈現相同的函數關係,並建立模型來研究其性質。 本研究已有初步的結果,我們計算出了冰棒棍的楊氏係數,並且做出了冰棒棍波形的擬合。另外也從不同觀察角度觀察出冰棒棍的運動情形,分析出單一冰棒棍的整體受力與運動情形。根據單一冰棒棍的轉動狀況,觀察出類似於進動現象,並對此深入討論。 未來我們希望能夠結合楊氏係數、冰棒棍波形疊合以及冰棒棍受力情形來建立專屬於冰棒棍波的物理模型,並研究其轉動互換模式。將其利用在工程學上。

FPP乒乓球3D影像重建量測與辨識分析

本研究以FFP 做為乒乓球3D影像重建凹陷分析與辨識,它利用條紋相位位移投影於乒乓球表面而分析相位與相位差分變化以獲得乒乓球面前後幾何距離。這對乒乓球製造者、比賽 單位與運動者而言可得知乒乓球品質與好壞,因此具有極大的助益。 此乒乓球結構光量測平台包含了3D影像重建分析光學系統與自動化量測機台之軟硬體整合辨識系統。本研究先建立了有參考平面結構光條紋量測乒乓球系統,並提出無參考平面與傅立業轉換法;前者可以減少量測系統空間,後者則可以減少量測時間,二者對量測效益具有很大幫助。 本研究已有初步分析與辨識成果,但未來仍需努力,包括加強辨識精準度、結合人工智能技術達到更佳辨識效果與應用於其他球體曲面量測等等。

「直」棒「旋」手--探究瓶蓋棒球的飛行秘密

本研究利用瓶蓋取代棒球,透過自行製作的瓶蓋發射器來探究各種因素對球路的影響。結果發現:無論瓶蓋凹面朝上或下,發射後大致會在0.4秒飛到最高點,但瓶蓋凹面朝上發射時較穩定,不但飛行距離較遠、飛得較高,落點也比凹面朝下接近中央。發射角度會影響飛行距離,30度時能飛最遠。瓶蓋中間若挖半徑0.25公分的圓洞,洞數多寡對於飛行距離的影響不太明顯,落點無規則可循;但若只挖一個洞,半徑越大飛越遠。適當地配重增加瓶蓋質量能加強飛行距離,當瓶蓋內部增重在2.9公克時,能讓飛行距離變長。

「圓圓」不絕─三角形內相切多等圓之探討

本研究旨在探討「直角三角形內部」、「等腰三角形內部」及「任意三角形角平分線上」的相切多等圓之不同排列情形,並找到多等圓的圓半徑公式。而在等腰三角形中,我們找出半徑與邊長、角度的關係後,接著探討該多等圓排列的最大半徑,進而探討內切多等圓在不同排列下產生最大圓半徑時,最適三角形的邊比為何,以及最適三角形頂角會滿足何種關係。最後將等腰三角形內的不同排列之半徑互相比較大小。

「藻生罐子?」 --- 改良水庫太陽能板漂浮罐的研究

許多國家都在尋找減少水庫蒸發量的方法,我們想在水庫放置結合太陽能板的生態罐,它能吸收氮磷化合物,改善優養化,燃燒藻類後又能提供生質能源。 實驗發現: 一、生態罐水位於3/5時可提供藻類生長的合宜環境: 1.瓶內溫度最低也最穩定,約25℃,較瓶外氣溫32℃低,故具有良好降溫效果。 2.照光下,罐內外氣壓差穩定於6 cm-H2O。 3.藻類的周生長倍數大約為1.19倍。 4.燃燒熱值周產量為19.5mW/mm2。 二、藻生罐子平衡速率快,大約24秒就能平衡於3/5位置

探索校園植物的催氧率

在自然課做氧氣蒐集實驗時,我們發現紅蘿蔔分解雙氧水的氧氣,不及二氧化錳分解氧氣量的25%,引起我們想進一步去尋找,是否有能替代目前課本上所使用催化劑的校園內植物。實驗發現 : 我們尋找的17種校園植物都能作為分解雙氧水的催化劑,在釋出氧氣的反應過程,會因雙氧水濃度、植物科別、草木本、生長環境等因素而有不同的氧氣累積生成量、反應速率與反應總量;整體上以榕樹、小葉桑、大花咸豐草表現最佳;最後,以校園三種落葉最多的植物來做研究,發現落葉在高濃度雙氧水中催氧率亦極佳,其中以校園內長得最茂盛植物榕樹落葉的實驗效果最好,以此作為天然、環保催化劑,不但能替學校節省一些實驗經費,還可以兼做環保,省糧食,一舉數得。

「轉」瞬即「式」─路徑轉彎數與同字不相鄰一般式探討

本文旨在探討不同轉彎下,其路徑方法數的問題。在方格紙及長方體中,移動路徑方法數的一般式及期望值。從二維的路徑方法數一般式研究,延伸到三維的路徑方法數一般式,再分別探討二維、三維下路徑方法數的期望值及其關聯性,接著跳脫維度的概念,探討期望值間的關聯性。最後研究同字不相鄰的一般式。

以基因剔除小鼠模式剖析腸道菌叢與T淋巴細胞在高脂飲食所誘導肥胖中之功能性連結

肥胖是全球重要之健康隱憂,然而腸道菌叢與免疫細胞對肥胖過程之影響尚未被釐清。本研究主旨為探討腸道菌叢在高脂飲食所誘導肥胖中之角色,並剖析由T淋巴細胞所調控之免疫機轉。我們以小鼠模式發現,從低脂到高脂飲食會使擬桿菌門與厚壁菌門產生消長,並促進擬桿菌屬隨脂肪熱量佔比提升而減少,同時使乳桿菌屬增加,推測高脂飲食與腸道菌叢可能對肥胖是關鍵影響因子。我們進一步利用基因剔除鼠發現,後天免疫缺陷對高脂飲食誘導肥胖有助長趨勢,且T淋巴細胞中轉錄因子Maf和促發炎因子IFN-γ之增加與肥胖產生有正相關,若將Maf基因剔除則可促進抗發炎因子IL-10增加並抑制肥胖,證實未來在醫療上可利用Maf基因作為肥胖治療之新標靶並開發免疫治療策略。