全國中小學科展

臺灣

Old葉 土積層-落葉堆積對土壤影響

為了了解學校落葉堆積對土壤和生物會有什麼影響,我們挑選學校不同種類的落葉,觀察它們長期堆放地點;另外收集這些落葉堆放到土壤上,在不同時間測量土壤的各種性質,最後對他們拍照和記錄;落葉用水萃取後加到培養皿的土壤裡觀察發芽比率;最後堆積後的土壤種小白菜,觀察有什麼影響。結果顯示初期落葉層對土壤溫度有明顯降溫效果,對土壤的水分、酸鹼質、生物、結構也有影響。1個月內落葉堆積的土壤和落葉的萃取液會抑制發芽,但兩個月後影響不明顯,而且對小白菜的發芽和成長有幫助。自然落葉堆積對於植物的成長幫助大於壞處。

一路順風-多向式無扇葉風力發電

本研究主要針對多種參數對「無扇葉風力發電機」的影響進行研究,並且提出一個新的發電機構設置UBA(Universal Bladeless Aerogenerator),其利用萬向接頭作為支點、擷取各方向的風能轉換為電能。研究中共提出了兩種不同的UBA機構設置,分別為磁力線垂直於地面的VUBA(Vertical Universal Bladeless Aerogenerator)與磁力線平行於地面的HUBA(Horizontal Universal Bladeless Aerogenerator),針對上述兩種UBA,本研究運用田口方法(Taguchi Methods)進行測試,並得出了較佳的參數水準組合,藉以提升UBA之發電效率。 本研究透過六組獨立變項實驗,得出直徑較大的阻流體在風速較大的情形下發電效率較佳、負重與發電效率呈負相關等,各參數對UBA發電效率之影響。 根據實驗結果,本研究針對影響輸出功率之各參數進行了因次分析,並從結果得知,UBA輸出功率與雷諾數和斯特勞哈爾數有關,藉此進一步提出自然頻率與最適風速之關係式,可用於求得不同結構之UBA產出最高功率之特定風速。

從篩選植物澱粉與顆粒製程改質到手術防沾黏之效用評估與材料檢測

近年有許多研究開發粉末顆粒的防沾黏材料,在手術中可以輕易地噴灑在傷口附近達到防沾黏的目的。本研究首先篩選天然植物澱粉,探討並比較不同澱粉作為防沾黏材料的合適性,其次,在顆粒改質的乳化法中採用不同離子來製成防沾黏澱粉,並比較材料特性,包含粉末顆粒大小形貌、吸水效率、黏度。我們比較市場上多種食用性澱粉,乙醯化磷酸二澱粉具有最高約的吸水效率598%。在此研究中我們以乳化法將界面活性劑接枝在澱粉顆粒的表面來增加材料的親水性,並在乳化法中添加不同的離子化合物,結果顯示氯化鈉(NaCl)改質的乙醯化磷酸二澱粉,其吸水效率可進一步提升到1328.3 %,使用氯化鉀(KCl)改質的澱粉為1131.6%,而使用氯化鈣(CaCl2)則是1096.9%。實驗結果與討論顯示越高的吸水率有越好的抗沾黏效果。

少數決之進階討論

「少數決遊戲」就是針對N個玩家詢問一些只能回答是或否的問題,而問題回答不必符合實際狀況,由少數一方獲勝,這個部分的定義與少數派賽局(Minority Game)中的定義相同,不同處為獲勝者須進入下一輪的問題,直到剩下一位或兩位玩家為止,由剩下玩家獲得最後的N單位獎金,但所有人需償還原來遊戲開始時所付出1單位的代價。前作「詐欺遊戲之少數決」[1]即對該問題作詳細的探索,但僅限於一組結盟人數。本作品是將前作內的獲利期望值與演算法作進一步的發展討論,並對結盟人數超過必勝結盟人數時的期望值變化做討論,得到賽局理論中的「少數派博弈」類似的結論。本作品更進一步討論兩組結盟人數的結果與期望值,後續的變化有些類似賽局理論。

搖頭擺尾 離子尾波形週期變化分析與原因探討

彗星離子尾受太陽風吹拂後,使其帶電粒子受力而改變噴發後的離子尾軌跡。C/2021 A1 Leonard的影像就可明顯看出它具有波狀的離子尾。我們透過影像軟體擷取彗尾影像的座標並將其代入分析軟體。依序分析2021年12月21日、12月31日與2022年01月02日的彗尾結構,利用不同的波函數擬合彗尾形狀並扣除擬合線,嘗試找出不同的彗尾結構是否具有相同週期或非週期的特徵。同一天內的不同離子尾去除穩定與漸進變化的週期後,發現具有相似形狀的變化區,應該為共同影響的非週期性因素,這個影響因素可能為太陽風的各種物理量(如:風速、磁場強度、質子密度等)。接著利用星圖軟體和數學幾何軟體推算出彗尾與其波結構的實際長度,並與太陽風資料互相比對。將三天的太陽風磁場南北分量(Bz)與各自的最後分析圖進行對照,發現兩者有高度相關性,推論太陽風磁場南北分量(Bz)的非週期變動是影響彗星離子尾不規則變化起伏的主因。

線蟲土壤食物網監測模式建立與功能性調節

將線蟲世代短、生物量大、分布廣泛以及多樣化的功能等優勢,用於監測並調節土壤服務與食物網功能。其中拭鏡紙搭配柏門式漏斗分離土壤線蟲的效果最佳,並建立新型線蟲土壤食物網監測模式,改善過去無法觀察土壤食物網組成問題。藉由文獻數據分析與自行採樣結果,發現線蟲功能群因土壤肥力或擾動改變,且c-p1與c-p2功能群線蟲的占比間高度負相關(-0.6>R>-1),可深入探討各功能群間的交互作用,但成熟指數過高(MI=3.17)可能影響新模式分析。此外,初步探討將線蟲接種至土壤中,調節土壤養分與土壤食物網組成,期待未來能夠透過更長時間實驗觀察,提升線蟲對各種土壤食物網最佳的功能性調節模式,為土壤的永續發展做出更具體的貢獻。

正多邊形平行封閉鍊接結構之研究

本研究探討n個邊長分別為1、2、…、n的正方形鍊接成平行封閉結構的存在性與方法透過「 任意值矩形頂點配對法」可成功鍊接;任意數列的正方形組也可成功,最快速的是「最大值矩形頂點配對法」。 推廣至正多邊形正偶邊形透過「對角線重合法」,正奇邊形透過「對角線重合法」搭配「對角線與邊重合法」,每邊可互相平行;將n個正多邊形放置在對角線連線成的平行四邊形,利用n值特性「4k、4k+1、4k+2、4k+3」分類頂點位置結合「單向複雜形平行結構」邊長和的差為1或2可透過對角線「中心」或「端點」出發的「最大值平行四邊形頂點配對法」鍊接 。 最後得到最大及最小完全覆蓋矩形鍊接法,並推得鍊接正方形內部封閉面積公式。

杯中失重液體碰撞地板產生之反衝噴流砲

水杯落下,撞擊地面後可產生高速累積噴流。分三階段:失重落下、撞擊、累積噴流。 微重力下,水坑深度d隨落下時間t漸增,達上限後不再增加d=dmax(1-e-δt)。親水性接觸面使水面形成球狀水坑。接觸角越大則水坑深度上限dmax越大,最大水坑為半球形,水坑抬升速度係數δ與表面張力及黏滯力比值有正相關。 撞擊時巨大慣性加速度G=131g使水坑崩塌並彙集,累積效應放大原速度,產生高速累積噴流Vjet2=Kv2。累積係數K與水坑深度d正相關,半球狀水坑K=18。h0不高時,水坑未成型,K值小,累積效應小;水坑成型後,K值達極大,Vjet2與h0成固定最大斜率關係。 噴流向上為拋體運動,最大高度Hmax=Kh0。 圓柱PET水瓶,直徑5.5公分,水量60ml-100ml,由25公分落下,形成近3公分水坑,撞擊產生10m/s累積噴流。水量不足30ml,因無法形成水坑且液體與杯底摩擦,無累積噴流。30ml至100ml無明顯差異,故30ml能量轉換效率最佳。

線翅搖蚊誘捕蚊幼蟲特性及乾旱高溫環境下之生存策略研究

搖蚊幼蟲棲息於暫時性水域,面臨乾旱、暴雨和天敵等逆境。本研究探討其與斑蚊的互動及逆境下的行為和基因表現。田野調查觀察到搖蚊的棲地常有其他蚊蟲共存。使用線翅搖蚊進行實驗,發現蚊蟲偏好於搖蚊棲地水產卵,次世代定序 (NGS) 顯示線翅搖蚊幼蟲優勢腸胃菌為 Novispirillum sp.;幼蟲競爭中,白線斑蚊優先捕食搖蚊;生長於搖蚊棲地水使白線斑蚊延遲化蛹,且羽化之成蟲多為雄性。搖蚊幼蟲築繭巢固定及禦敵,低水位、土砂和高溫會促進築巢,低溫則會降低搖蚊的存活率。光照使黏液繭中的搖蚊幼蟲 hsp 表現量增加,令土繭中幼蟲大量表現血紅蛋白;溫度上升則使幼蟲血紅蛋白表現增加。本研究顯示,搖蚊族群在氣候變遷下可能的存活策略。未來可以針對搖蚊腸道菌挑選吸引蚊蟲之菌種,評估應用生態友善管理淡水域棲地及病媒生物防治。

神奇藍水瓶

本研究探討藍瓶實驗的動力學以及糖與鹼久置、藍瓶實驗不再變色後會產生黃褐色物質的問題。自製光度計,由電壓變化更能更精確測量亞甲藍濃度隨時間變化。對葡萄糖而言,推論整體反應變色速率定律式為r=k[C6H12O6]1.6[NaOH]0.8[C16H18N3S+]0.8,亞甲藍濃度範圍2.6× 10-4 M~1.01× 10-3 M。 對乳糖而言,推論整體反應變色速率定律式為r=k[C12H22O11]1.6[NaOH]1.0[C16H18N3S+]1.1,亞甲藍濃度範圍2.6× 10-4 M~1.01× 10-3 M。 糖與鹼混合後要立即與亞甲藍反應,久置或高溫可能會有糖的降解或其他反應發生。經由UV光譜動力學分析,在272nm處吸收值隨時間增加而增加,推論乳醣也類似葡萄糖,在鹼性條件下也可能會降解產生低分子量有機酸、醛類和酮,以及形成具有共軛雙鍵的高分子量物質。