全國中小學科展

臺灣

雲深不知處總得鹽水瘋泡—利用水模擬大氣中密度差介面的紊流穿透及混和

本研究旨在探討層雲結構產生上的一些物理機制,一般情況為地表附近空氣經由日照加熱而對流上升,而後與冷空氣混和凝結,我們藉由建立一些相關的模型來探討此一現象,利用水中紊流模擬大氣,設計密度界面模擬大氣中密度層變界面,透過染劑以及雷射誘導螢光等技術來觀察,而後探討紊流穿透界面或與界面上溶液混和時的相關現象,並利用一些計算,例如達西-魏斯巴赫方程或渦量方程式等,去解釋這樣的模型,配合電腦程式輔助分析紊流的速度及形狀等特性的關係,,再用不確定度去評估實驗精確性,連結這個紊流模式與大氣流體中的現象,並可推廣至諸如海底火山噴泉或是工廠汙染物排放。

車輛預防翻覆系統

人們每天依靠著車輛往來各地,在帶來各種便利的同時,卻也伴隨著各種安全隱憂。本研究想要預防因駕駛轉向過於劇烈所導致的車輛翻覆行為,因此設計自動控制系統以避免車輛因轉向過於劇烈所導致的車輛翻覆行為。本研究利用車輛模型模擬轉向時車輛側向加速度的變化,根據模擬結果設計控制策略。控制目標為希望能降低車輛轉向時的側向加速度,進而避免翻車。控制策略分為門檻式控制策略與連續控制策略。控制系統輸入訊號為車輛側向加速度,而輸出訊號為車輛左右兩後輪馬達的扭矩訊號。控制系統只需要偵測車輛的側向加速度即可推得車輛轉向的時間點,並在車輛有較高可能翻覆時,根據控制策略予以車輛馬達扭矩輸出訊號的限制,避免轉向時側向加速度過高導致翻車。

陽光下的旋轉舞者——探討雙小行星的形成原因與其分佈之關聯

現研究認為雙小行星的形成原因為小行星受YORP效應(Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect) 使自轉加速至裂解自轉週期後形成。此研究回推母小行星裂解自轉週期,推論雙小行星是否由YORP效應形成。結果呈現實際裂解自轉週期集中於1.4 – 2.4小時,較理想裂解自轉週期短。軌道半長軸0.5 – 3.5 AU,由YORP效應形成的雙小行星約佔總體73%,2.8 AU後無YORP效應產生的雙小行星。計算YORP效應產生的雙小行星佔總體比例分佈,呈現以1.8 AU為轉折點,轉折點前YORP比例接近,轉折點後比例隨與日距離增加持續下降。透過模擬YORP比例在長時間中的演化,呈現約107 年後YORP比例分佈出現轉折點,演化時間越久轉折點與日距離增加,透過轉折點可推論小行星受演化的時長,但現行模型仍無法考量雙小行星形成過程與演化造成的多重因素,此些效應會使演化時間加長。非YORP效應產生的雙小行星在科克伍德空隙前方增加,推測受木星軌道共振使碰撞機率增加產生雙小行星。

馴風高手

本作品研究在於設計製造出一款能裝置在一般窗戶外側的“智慧型導風機”來引導室外自然風進入室內,以增加室內空氣的流通,構想是依操作者個人對進風量之喜好感受,設定按鈕電動驅動左右兩片導風窗板外推至適當角度後,再由風向感測器偵測出當下的風向數據,透過Arduino程式運算控制左右兩片導風板的葉片組,依不同風向進行一開一合的動作,讓側向風亦能導入室內,使得室內的空氣流通得到最大化,藉以改善室內的空氣品質。

形單不影隻,紅藍展翅飛

顏色對調並且數字按規律排列,除了分類顏色還要排列數字大小難度很高,我們想要發展出有規律的方法來解決問題,並將對調的方格數增加到M個。 移動的規則是每次只能移動相鄰的兩個方格,對調後再放入空格中,重複這個動作,直到所有同樣顏色的方格依數字從小到大排列(順向排列)或數字由大到小排列(逆向排列)。 研究內容分成兩部分,第一部分:個別對單色的方格加上數字,目標在遵守移動規則下,顏色分類而且數字按照順序排列。第二部分:雙色都加上數字,目標在遵守移動規則下,顏色分類而且數字按照順序排列。

第一電池-探討利用地衣共生真菌與藻類建構長效微生物電池之可行性

本研究旨在探討如何利用地衣共生藻類與共生真菌天然的互利性來建構長效的微生物電池,此實驗將培養出的地衣共生真菌與藻類利用海藻酸鈉(SA)進行固化,並進一步製成不須添加質子交換膜的晶球地衣電池,並觀察其發電量。經觀察,本研究之地衣電池電壓高峰為0.497V,且目前已維持運作1038小時,電壓仍有0.3 V。由上述可知,利用海藻酸鈉固化之方式能製作出穩定且高效能的地衣電池;而地衣取自於自然環境,亦不需添加質子交換膜,故對成本低廉且環境友善成本低廉,符合永續發展目標(SDGs)中的目標七:確保所有的人都可取得負擔的起、可靠、永續及現代的能源。期許未來能夠發展為具備實用性且低成本的綠色能源。

波以爾對抗托里切利的表面功夫—探討量測大氣壓力、震度與氣體流速之影響

本硏究運用波以爾定律以及托里切利原理,討論不同口徑對應不同水柱壓下,因開口的表面張力及邊界層效應產生之「綜効表面壓」,模擬與實測漏水量的變化。 實驗操作流程為以管長L一端開口一端封閉的水柱管,開口朝上注入高h的水量,將其封閉倒置後,其水柱管內氣壓與外界P0相同。開啟底部使其漏水至平衡,結果發現使用一般的水就可以簡易量測大氣壓力的條件。 進一步探討擾動對系統的影響,在綜効表面壓的作用下,於特定的震度和震頻時瓶口的加速度具有週期行為,並得出本系統應用於偵測氣流的限制與可行性。 本研究由已知的原理出發,透過實作來探究複雜且真實的機制,進而發現有趣的物理現象與實用價值。

豔麗的編織者—棒絡新婦

棒絡新婦是我們校園中常見的蜘蛛,雌蛛的身體背面黃黑交錯,腹面還有一大片紅色斑紋,非常豔麗。我們透過高度角觀測器和指北針,調查出棒絡新婦所結的網,高度大多落在1.0公尺到3.0公尺之間,傾斜方向則是以東高西低的比例最高。此外,有將近一半的棒絡新婦會群聚結網,但佔網機率非常低,幾乎不會互相拜訪。從攝影畫面中發現,棒絡新婦在織網時,會先吐出不具黏性的支撐絲、框絲、軸絲和踏腳絲,最後再由外往內以螺旋方式繞上具有黏性的橫絲,整個蜘蛛網就大功告成了!

別急得吃棉花糖–親子互動智慧理財ATM之設計與探討

孩子們時常在領到零用錢後便很快地花光光了,不僅沒有儲蓄的習慣,更沒有正確的理財觀念,導致未來生活收支嚴重失衡的經濟問題。於是本作品以「棉花糖理論」結合智慧行動載具,使用Edit Plus編輯器撰寫PHP程式,研發一款培養孩子延遲享樂與理財好習慣,同時父母也能控管孩子花錢情形的ATM互動程式。 本作品分別設計「家長端與孩子端」的HTML頁面,提供定期主動提醒父母發放零用錢,清楚掌握孩子儲蓄與花費的資訊,此外;特別提供孩子設定定期存款與預定目標(想購買的商品)之設計,讓孩子運用分期儲蓄,累積目標金額,透過存款購得商品的成功愉快經驗,達到存錢與延遲享受的效果,讓孩子開心地學會儲蓄及理財好習慣,同時也增進親子間更緊密良好互動關係。

Do It Myself-智能棒球訓練系統

「智能棒球訓練系統」是協助棒球初學者自主完成打擊與投球訓練的系統。訪問棒球教練需要哪些輔助訓練工具與文獻探討後,先以九宮格板自動回復元件製作投球準度訓練模組;再改良成輕巧的三宮格板好球帶訓練模組。在靈敏度偵測實驗中發現雷射光加光敏電阻靈敏度高於超音波與雷射測距感測器,以此製作揮棒速度訓練模組,實際使用時發現雷射光與光敏電阻模組在戶外易受陽光干擾,故以各色吸管進行光敏電阻抗陽光干擾實驗,發現6公分以上的黑色吸管可有效降低陽光干擾。最後加入跨步步伐偵測模組以提升投球穩定度。本系統還能透過IoT的功能,讓使用者掌握練習數據。實測後,本系統可提升練習者的揮棒速度以及投球的準度和穩定度。