全國中小學科展

臺灣

新穎光子晶體材料的研究與開發

本研究目的1.探討催化劑對光子晶體SiO? 合成的影響,依據催化劑對光子晶體製作的數據,統整歸納出不同濃度的氨水催化劑對於SiO? 的吸收光譜與粒徑大小等性質的影響。2.尋找簡易的方式進行光通道的製作。 採用溶膠凝膠法將tetraethylorthosilicate(TEOS) 以氨水做催化劑在乙醇溶液中的水解及縮合反應製作單分散SiO?粉體。 嘗試將細線附著在玻片上進行排列,排列完成後將細線拉起企圖製造一條溝道。 實驗結果,催化劑會影響合成SiO? 的顆粒大小,隨著催化劑濃度增加,顆粒大小也隨之增加。使用細線可成功製造出凹陷的孔道,但目前採用之線仍嫌太粗,欲尋找奈米線材加以取代以製造出更適用之光通道。 ;The purpose of this research is 1.to find out the influence of the catalyst on compounding silica photonic crystals . According to datum , I can generalize the connection between the consistency of catalyst and the particle size of photonic crystal. 2.to find easier method of making the passage of light. I used tetraethylorthosilicate (TEOS) as a reactant and ammonia as the catalyst to react hydrolysis ,water condensation and alcohol condensation in ethanol. I tried to put fine lines on sheet glasses. After the arrangement of the silica particles, I took apart the lines attempting to make sunken ditches. The outcome of this ecperiment show that partical size increases with the consistency of catalyst. We can use fine lines to make the sunken ditches, but the line is not fine enough that I should find much finer lines to make it.

「天上掉下來的禮物嗎?」—討論十年來大陸沙塵暴對台灣之影響與變化趨?

In recent years, sandstorms have seriously attacked Taiwan day by day. Combining with the observations of Central Weather Bureau and the satellite images of NASA, the study has been collected the data of suspension grain in decades. And the study hopes the sandstorms’ information could be observed in early period. Still it hopes to find out the possible transmission paths in the atmosphere. Then we know how to cope with sandstorms in early time. Sandstorms attack Taiwan frequently in spring, the end of the autumn and the beginning of the winter. Compared with the charts of sandstorms and the satellite images, we could broadly aware that the moving paths of sandstorms are related to the currents and the characteristics of the atmosphere. When El Nino happens, the times of sandstorms attacking Taiwan decrease, and that increase when La Lina happens. According to the results of spectrum analysis, there might be high peaks of a year and six months short period varieties. And low peaks of 2.2 years and 7 months period, tell us that the short period aerosol varieties should be relative with season changes, the long period aerosol varieties may be relative with the El Nino and La Lina period. 近年來,大陸沙塵暴侵襲台灣的情況日趨嚴重影響。本研究中收集了近十年來懸浮顆粒資料,配合環保署空氣品質監測站、中央氣象局所觀測的資料與美國太空總署的衛星影像資料及NASA航空資源實驗室的氣流軌跡回推圖,希望能夠在早期觀測時發現大陸地區沙塵暴訊息,和沙塵暴所帶至大氣中的懸浮顆粒可能傳輸路徑。發生沙塵暴侵臺事件的季節,主要在春季及秋冬兩季交替期間發生的次數為最多。由地面天氣圖表、氣流軌跡回推圖及美國太空總署的衛星影像進行綜合比對之後,可大致瞭解大陸沙塵可能的移動路徑與大氣環流特徵有關。 聖嬰現象(El Nino)發生時,侵襲臺灣的沙塵暴次數會減少。在「反聖嬰現象」(La Lina)發生時,侵襲臺灣的次數相對增加。經由頻譜分析中得知,懸浮顆粒高峰期的變化有1年期及6個月變化趨勢,懸浮顆粒低峰期的週期變化有2.2年與7個月的變化趨勢,顯示短週期大氣懸浮顆粒變化應與季節變化有關,長期性變化或許與聖嬰反聖嬰週期有關連。

漩麗奇跡-漩渦崩潰現象之探討

以自製式裝置探討兩成分系活性係數與蒸氣壓及拉午耳定律的偏差

在本次的實驗中,我們藉由拉午耳定律的公式及一條由作者從實驗中推論而得的公式,可以簡單的求出不同溶液的分壓。我們只需要一個自製式的簡易裝置,在裝置底下放置被測量的溶液,並密封使其成為封閉系統,其頂端為一銅箔,在銅箔上使用適合的溶液,藉由上方溶液蒸發量與下方不要放置溶液蒸發量的差異之值比較,即可求出其下方兩種成份系的溶液中各種溶液在不同莫耳分率下的分壓以及能量的傳遞,雖然會有誤差的存在,但比照一般利用光譜法來測量的方式,成本卻降低很多,且經由公式,也可估計各點的活性係數,比之以往簡易很多,因此可當作針對的高中生示範教學及教具,使同學更能了解兩成分係非理想溶液在拉午耳定律中之差別。This study shows that is easy to figure out the partial pressure of the different solutions by applying the formula of the Raoult's laws and a formula computed by the authors from their experiment data. All that is needed is a simple hand-made device. In the experiment, the device was sealed into a closed system after the solution to be measure was placed at the bottom of the device. A proper liquid was put in the top piece of the device, which was made of copper foil. By computing the difference between the amounts of evaporation of the top liquid with and without the bottom solution, we figured out that the two-component solution is the partial pressure and energy transmission of the solutions at varied mole fractions. Though errors do exist, cost was much lower by this method than by the spectrum method. Besides, the formula makes it easier to estimate the activity coefficients at different points. Therefore, the study can be applied in physics teaching in senior high school to facilitate students' understanding of the differences between two-component solutions in the Raoult's laws.

「銀」「鋅」送舊-矽藻土添加奈米銀/氧化鋅防黴抗菌大作戰

本科展將市售矽藻土結合奈米銀水溶液以及氧化鋅粉末製作出一個真正具有抗菌、防黴功效的奈米銀/氧化鋅矽藻土材料。首先,探討矽藻土添加石膏、凝固劑以及改變粉末直徑對於成模固定化的影響。接著利用水熱法合成奈米銀水溶液。之後以化學沉澱法合成氧化鋅粉末。最後,則是將抗菌材料與矽藻土結合,再進行抗菌實驗。由實驗結果得知,水熱法使用0.1M的硝酸銀可合成出約10nm的奈米銀水溶液,而化學沉澱法則以0.1M ZnCl2與0.2M KOH原料進行反應,即可獲得氧化鋅粉末。對於大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及黴菌抑菌實驗證明,當10g矽藻土添加12ml 2877ppm奈米銀則抑菌百分率分別為96.2%、96.7%以及58.5%,若矽藻土添加1%氧化鋅以及12ml 2877ppm奈米銀則可達94.8%、87.6%以及78.1%的抑菌效果。

「煞」費苦心-探討渦電流在磁煞車上的應用

磁鐵與非磁性金屬轉盤因冷次定律產生阻尼效應而產生煞車效果,常常在物理實驗提到。但如何設計一個渦電流煞車器,又好像不是一件簡單的事。因為牽涉到許多變因,如轉盤材質、厚度、磁鐵與轉盤中心距、磁鐵數量、磁鐵與金屬轉盤距離、磁鐵移動速率等。本研究以”實驗驗證法”的方式,企圖為這些變因找到可依循的準則,進而充分掌握設計要點。為了有效率地分析這些變因,我們自行製作了一套「渦電流煞車分析系統」,可減少許多實驗時間並可記錄即時數據。另外,我們也量測渦電流在煞車系統的熱能分怖情形。在分析這些變因後,提出一份實用的設計指南。在最後,藉由控制磁盤的移動速度及與轉盤的距離,來分析渦電流煞車的各種即時「煞車曲線」。

以類神經網路為輔助自動生成小提琴演奏骨架

目前在音樂動畫的領域,若動畫師要產生音樂動畫演奏影片,皆是請真人演奏,再透過感測器去取得骨架座標資料,搭配動畫製作技術進而產生演奏影片,此方法不僅耗時且耗費人力成本,若是能將此生成骨架座標的任務交給電腦自動化生成,將大幅減少時間與人力成本。此研究以小提琴為例,提出了兩種僅以音樂為基礎,透過類神經網路生成虛擬演奏者演奏骨架座標的方法,並對兩種方法生成出的演奏動作結果進行比較與討論。方法一延續先前相關論文的網路骨架,並對其做出修改;方法二為本研究自行設計的骨架生成流程。研究結果顯示方法二相較於方法一與先前相關論文能更有效地生成出合理的小提琴音樂演奏骨架。

正弦桿精確度挑戰與探究

Sine bar is precise measuring angular tool with gage blocks.Basica1 旬, to get height we calculates with H=L×sinOto assemble gage blocks.It is inconvenient to assemble gage blocks and maintain after we measured when wanting to get different dimensions. In out wOItwe have fabricated rap1d positioning sine bar by combining micrometer and sine bar.The purposes ofthis research are producing dimensions accurately and rapidly.Thus,it won't have errors when workp1eces are mached and measured. 正弦桿是測量角度的精密量具,基本上,正弦桿需跟塊規組合使用,再利用H=L Sinθ 算出需組合之高度,在算出需用何種尺寸之塊規需用幾塊,但如果遇到多種不同高度時,則需要更換不同尺寸之塊規,塊規在每次使用時都需清潔乾淨,十分的不方便,在此我們利用測微器,與正弦桿結合,捨去塊規,研製出快速定位正弦桿。此一設計主要包含有原本的正弦桿,一支測微器,結合成新的正弦桿,本正弦桿主要的特性是,在每一種高度算出後,即可利用正弦桿上的測微器直接旋轉到需要之高 度,且轉到需要之高度後可將測微器固定讓測微器不再旋轉,且兩者是一體的,不會出現測量或是加工時,正弦桿移動之現象,使用中也不會去觸摸到測微器之測頭而產生了熱脹冷縮之誤差發生,達到快速定位之需求。

結合幾丁聚醣及聚麩胺酸對重金屬離子吸附之研究-研發吸附暨檢測之循環系統

本研究選擇以天然易分解的吸附劑-幾丁聚醣和聚麩胺酸(γ-PGA),建立有效去除水中重金屬離子的方法。首先探討幾丁聚醣膜在各種條件下對鉻離子、銅離子的吸附。對鉻離子的吸附模式較符合等溫吸附式Freundlich,於30℃、pH=3時具有吸附優勢。而後將幾丁聚醣黏附於多孔性泡綿,利用抽濾法提高吸附效率,使鉻、銅離子殘留率分別降至2.08%、11.23%。幾丁聚醣與γ-PGA結合製成的複合材料泡綿,大幅提升對銅離子的吸附效果,其吸附模式較符合等溫吸附式Freundlich,於30℃下、pH=7,γ-PGA與幾丁聚醣之比例為6:5時,對銅離子吸附最佳。利用分光光度儀的設計原理,以光敏電阻建立可即時檢測有色重金屬離子的分析元件。將此檢測裝置結合吸附劑,研發一套可即時檢測、環保簡易的重金屬離子吸附暨檢測之循環系統。對於2.0ppm、10.0ppm之鉻、銅離子循環2、3小時後,殘留率分別降至0.046%、0.074%,充分顯示此系統可有效去除水中重金屬離子。

絕世好漆-以牛奶和教室粉筆自製塗漆

牛奶中有許多乳酸菌,在常溫下放置的時間過久時,乳酸菌就會開始繁殖,產生乳酸使牛奶液變成酸性,讓牛奶中的酪蛋白分子重新連結在一起,我們利用這種反應再加入小蘇打粉,讓牛奶中的酪蛋白產生黏性,自製成有黏性的膠水,牛奶膠水具有黏著性,適合當作外牆塗漆的原料,歷史著名的建築物布達拉宮白色的外觀,塗漆主要原料就是牛奶,所以我們以牛奶的酪蛋白為基底,加入了熟石灰、石膏、滑石粉…等不同配方,其中還發揮環保回收的創意,使用了教室剩下來的短粉筆(碳酸鈣)當原料,製作了牛奶塗漆,並觀察不同的塗漆的性質變化,同時也藉由請教古蹟修復專家,進一步來改良實驗中我們自製的塗漆,調製成各種顏色的塗漆,並應用於生活中。