全國中小學科展

臺灣

「流」「擺」能生—探究穩定水流中單擺組合擺盪機制與發電應用評估

探究水流中單擺擺盪變因的影響,確認擺盪的物理機制,用於發電裝置優化調控。單擺實驗以動能轉換參數f*X評估效能高低,於實驗中發現阻礙物兩側流速差造成偏移力並產生渦流,若渦流結構完整,說明流速差大,偏移力大。擺長越長,渦流頻率(f)降低且擺幅增大;擺錘直徑增加使f降低、擺幅及渦流直徑增大。流速10cm/s下,最優單擺-擺錘直徑5cm、擺長20.5cm、33.7g。加阻流柱(擺)可降低f增加擺幅;水流速與共振擺長有量化關係。擺盪發電組的圓筒密度接近水時有較佳的發電效益,於不同流速下,改變擺長可調控發電組之震盪頻率使之共振,增加擋板可增加發電組擺幅使發電效能提升。

機率的陷阱——伯特蘭悖論

1889年,約瑟.伯特蘭(Joseph Bertrand)展示了以下問題:「圓內隨機一弦大於圓內接正三角形邊長機率為何?」並提出三種解法,而每一種解法都分別得到不同的答案。我們發現其他正多邊形也有類似情況,歸納出其中的規律,並且將伯特蘭的解法推廣為第四種,這種解法可以在範圍內任意產生無限多種機率。接著推廣到立體空間中探討,也同樣發生悖論,這些不一致的情況蓋提議敘述不清所致。

「樹」造奇蹟,「桃」然無毒--校樹與第倫桃果膠於天然果醬和乾洗手之雙重應用

本研究探討校樹第倫桃在日常生活中的應用,我們先以第倫桃果膠搭配校園常見果實製成果醬,邀請60位家長與教職員試吃,結果以桑椹配方五最受歡迎。接著,我們結合第倫桃果膠與校樹葉或果皮萃取的精油,製作天然乾洗手,經吐司發霉與無菌培養基測試,證實具有一定抑菌力;保濕測試也顯示,第倫桃果膠能減少肌膚乾燥與油脂流失,使用感較佳,以西施柚果皮製成的乾洗手最受歡迎,獲得50票肯定。我們將產品帶至校慶園遊會販售,最受歡迎的是第倫桃與構樹果醬,以及白千層與西施柚的乾洗手,共募得2,490元,捐作急難救助基金。研究證實,第倫桃果膠在果醬與乾洗手的製作上皆具應用潛力,並能推廣校園植物的永續利用。

親「蘇」有別-電導度與界面活性劑之研究

用電導度判斷加入不同物質對清潔劑的影響,可瞭解到清潔劑濃度高低和電導度有著高度正相關,本實驗以推論電導度與實際電導度進行比較,發現清潔劑的清潔能力與電導度變化有關,電導度變大其清潔能力也會較高。清潔劑中加入氯化鈣和氯化鉀後電導度變化皆為降低,比較同族水中的陽離子,電荷數大或離子半徑較大時,其產生白色混濁的現象較為明顯,電導度變化也明顯下降,因此推論在含有高濃度鈣離子的硬水中或是含有鉀離子時,清潔劑的清潔能力會被降低,普通低濃度的硬水則影響不大。而清潔劑的濃度在20%以下加入小蘇打,則是能有效提高電導度使清潔力提升。

以分塊矩陣及生成函數探討多人跳躍數列方法數

本研究針對以往跳躍數列進行1人的討論延伸至多人的跳躍數列;多人跳躍數列規則為「同一個時間點手上最多只會有一顆球回到一位小丑手中」、「需連續、規律的接及丟出球,並且無限持續下去」、「丟球前可以有準備的時間」以上三項規則,因此此研究和以往多數文獻的題目假設有所不同,也比較貼近現實可能的情況。 多人跳躍數列的討論較為複雜,因此採用有向圖的概念進行討論,該圖的點元素代表當下每一顆球在幾秒中回到手中的狀態、邊元素則為每個狀態轉移時的丟球方式;接著將有向圖轉換為鄰接矩陣,並將點元素用類似2進位的形式進行分類以便整理成規則一致的分塊矩陣,接著由Cayley–Hamilton定理及多人跳躍數列的性質得到將鄰接矩陣的n次方求跡即為多人跳躍數列方法數。最後為了將不同狀況的方法數有一個好的整理,我們採用生成函數表示方法數並得到一定的成果。

白浪滔滔我不晃-船隻阻尼器研究

本實驗以指尖陀螺與馬達製作阻尼器,利用角動量的原理來平衡船隻的晃動程度。從實驗結果發現有裝阻尼器的船隻,震動的波形相對較為穩定,表示阻尼器對於穩定船隻有實質上的效果。而改變指尖陀螺的質量和轉速,也驗證了角動量越大穩定的效果越好。希望未來能進行更大的實驗模型,進而實際應用在一般船隻上。

離岸生態浮台的追日系統研究

全世界為對抗氣候變遷,努力發展再生能源;臺灣寸土寸金,實在不利於佔用大量土地的太陽能農場開發!我們以phyphox App軟體之GPS及不含重力之加速度,比較出有無定錨下,浮板塊漂移的穩定度外,也設計出依太陽的東昇西落之不同光照仰角,讓程式驅動水平軸及垂直軸伺服馬達轉動的雙軸追日系統,並成功的設計四季東昇西落定點軌道裝置,可比較出有雙軸追日的發電總功率為無追日的夏至達1.4252倍、春秋分1.3619倍、冬至1.2654 倍。 最後,我們引用澎湖魚滬的概念,創新設計縮小版的生態浮台,希望能模擬整合西部離岸的漂浮太陽能發電與農漁業生態或觀光產業,綠能、發展經濟又能兼顧環境教育,豈不美哉!

扁平長方容器中顆粒體之轉動現象探討

顆粒體(細沙、塑膠珠與鋼珠)於扁平長方容器內近二維堆積在高速轉動時,其自由面有要成為拋物線的趨勢,但因有摩擦力的存在易導致自由面出現中央尖錐區與兩側線性堆積區之分布,因而呈現類似W之外型。近二維堆積顆粒體高速轉動下,摩擦力大者(如細沙、塑膠珠)易在近轉軸處出現中央尖錐;而摩擦力小者(如鋼珠)在近轉軸處則易出現較平坦之分布。另近二維堆積顆粒體在轉動過程達穩定後之自由面分布,會受經過的歷程所影響,不具可再現性。 相同數量(1000顆)與尺寸(3 mm)的鋼珠與塑膠珠混合後以高速(>500 rpm)轉動,其堆積分布與同轉速下的鋼珠一致,代表混合態高速轉動後穩定堆積的自由面分布是由慣性大的顆粒體所決定。 顆粒體和液體轉動時類似卻又不同的現象讓值得進一步的探討。

舒芙蕾的蓬鬆之謎:探索「舒服」的高度秘訣

本研究以舒芙蕾為膨脹模型,探討蛋白打發、配料及烘烤條件等多重因素。提高攪速促進蛋白質變性並包入空氣,形成穩定泡沫;糖分次加入可提升黏度和界面穩定性。食鹽增加離子強度,破壞蛋白靜電排斥,降低泡沫穩定;氯化鈣的Ca²⁺使蛋白過度聚合,抑制起泡。檸檬汁有機酸調整蛋白電荷,提升穩定性。 低筋麵粉有助氣體膨脹,乳脂穩定氣泡界面,過量影響網狀結構。膨鬆劑方面,酵母產氣慢適合長時烘焙,小蘇打與強酸反應快易導致結構坍塌,建議搭配pH>3弱酸如酒石酸氫鉀,類似泡打粉,產氣速度平緩。烘烤溫度150°C佳,高溫長時使硬度增加、蓬鬆度下降。玻璃容器導熱慢有利麵糊膨脹成型。蛋白泡沫穩定性與膨鬆劑的協同作用是舒芙蕾成功膨脹的關鍵。

Sequentially bidirectional gastrovascular flows in highly branched digestive tracts of panocerid flatworm

Examination of the predation behavior of polyclad flatworms is extremely rare. This study collects Paraplanocera oligoglena, the most common species in Taiwan. Tank-based feeding experiments reveal that Paraplanocera oligoglena can prey on several species of gastropods, such as sea snails and sea hares. Predation behavior encompasses attack, invasion and ingestion periods. This research pioneers the use of stained clam and static image analysis to observe the highly branched digestive system of flatworms. The sequentially bidirectional flow of gastrovascular cavity is first found in polyclad flatworms by the post-stain active tracking technique. Measuring peristalsis movement in inward and outward directions and segmented movement, the contraction frequencies are roughly the same in subsequent order of given branches. Confirmation is provided that the circular membrane-like muscles within the digestive tract are the main driving force for transporting and mixing food. The food dyeing technology used in this experiment also provides the possibility of future research on food chains in the wild.