全國中小學科展

臺灣

「浮」不起的阿「黽」-探討表面張力對漂浮水黽浮沉現象之研究

當自製漆包線水黽的垂直軸高度越短、垂直軸位置越靠近中心、角度越大,浮率越大;自製水黽腳越長、隻數越多,浮率越大;當自製水黽的腳平貼水面所圍出的面積越大、腳垂直上折的長度越短,浮率越大;水溶液溫度越低,浮率越大。水溶液濃度及水位高度都不影響水黽的漂浮情形;在不同水溶液當中,自製水黽在自來水、糖水及鹽水中易漂浮,在酸性的醋、鹼性的肥皂水及小蘇打水則不易漂浮。在形狀相同粗細不同的鋁框中,越粗的鋁框越不易漂浮。當粗細相同的鋁框等比例放大時,邊長5公分以內的正方形框浮率均接近1(大於0.98),但邊長大於6公分時,浮率會突降;由相同長度摺出不同形狀(開放及封閉)的漆包線及鋁線,浮率都接近1(大於0.92)。

不能說的秘密---網路釣魚防治技術

在數位化的今日,由於網際網路的技術蓬勃發展,網際網路變得更容易使用及具高度的親和性,使得網際網路的使用逐年成長。隨著越來越多人依賴網路進行交易,也衍生了層出不窮的網路詐騙問題。其中,網路釣魚就是一項著名的詐騙技術:詐騙者透過偽裝成知名企業的網站,藉此騙取使用者的個人私密資料。在本研究中,我們提出了一套植基於彩色視覺密碼學原理的網站驗證機制,使用者可以透過此機制,直接利用人類視覺的方式來驗證所連上的網站是否有問題,並在此機制之下,設計出另一套管理使用者密碼的方式,進而方便使用者不必費心的去記憶密碼。 Recently, as networks technology flourishes, Internet becomes easier and friendlier to use, and makes the usage of Internet grow up year after year. With more and more people relying on online transactions, it leads to endless network fraud issues. Among them, phishing is a well-known fraud technology to disguise the famous business website to get user’s private information by cheating. Therefore, in this study, an effective scheme based on color visual cryptography is proposed to test and verify the website. Through the proposed mechanism, users can check whether there is a problem website by using human vision directly. Furthermore, the proposed scheme also provides another way to manage user’s password effectively.

液動謎宮:Marangoni flows的流道選擇及其影響分析

在牛奶中滴入清潔劑,會觸發液體間的表面張力差,形成馬拉高尼流(Marangoni flows)。本研究使用3D列印製造流道與迷宮板,於迷宮中注入一層牛奶,並在起點滴入清潔劑,使得牛奶液面上的色素走出一條可通向迷宮終點的正確路徑。藉由攝影並以軟體Tracker分析色素的流動情形,了解其背後解謎的真相。研究發現:液體種類、流道狀態、終點的面積、流道的岔路與彎道數、溫度差異,皆會對色素流動產生影響。在無解流道、簡單幾何流道、多重路徑迷宮及唯一路徑的迷宮中,色素的流道選擇產生許多有趣的樣態。我們將其概念轉化成有趣的液動導航並與Google導航進行比較分析後,引入並修正A*演算法導入Python模擬棋盤格流道導航,嘗試呈現出流體行為的計算機思維。

產電生氫伏打電池

在一次意外的發現中,我觀察到以鱷魚夾夾住的鎂帶在海水中竟然不斷的冒出氣泡,引起了我一探究竟的興趣。經由一系列的探索和實驗,我驗證了此種奇特電化學行為的反應機制,並且藉著此種機制,我嘗試尋找可以產生最大電流、電壓的伏打電池組合,以便製出一個又產電、又生氫的新式伏打電池,一方面可作為直流電的電源,另一方面產生的氫氣又可作為燃料電池的燃料來源。 In one accidental discovery, I’ve observed that there were continuously bubbles coming out when a magnesium stripe was attached by the metal clip in the sea water. This incident aroused my curiosity to find out the reason. Through a series of searching and experiments, I have proved the mechanic reaction of this spectacular electronic chemical behavior. Then I tried to search for a combination which can produce the greatest electronic current and voltage in order to produce a new type of voltage battery that can produce electricity and hydrogen. In one way, it can be the source of producing the direct-current. On the other way, the hydrogen it produced can also be the source of a fuel battery.

以分頻多工及交流差動磁場強度為基礎之定位系統應用於無人飛行器控制系統的研究

本研究提出一套創新的定位系統,僅需設置單一已知參考點即能達成高精確度的定位,由該參考點上的兩個永久磁鐵的靜磁場轉換成時變場型之交流磁場,再透過分頻多工的數位訊號處理,分離出這兩個磁場源之差動磁場強度及其相位,以求得物體的位置資訊,達成不受空間中的多重路徑干擾及障礙物影響的精確定位。透過實驗證明,本套系統在實驗設定下具有10公分以內的定位精準度,同時可以支援微型無人飛行器的即時定位,對於未來各種行動裝置、穿戴科技與自動控制系統之定位需求,可提供具體的貢獻。

替機器人安排作業程序

編號1~mn 的mn 個物件已隨機置入m× n 階的矩陣中,另外有一行m 個空格的暫存區供物件暫存用。我們探討將這mn 個物件移至目標區並按照1,2,…, mn 的次序排列,所需的移動步數;每一步的移動中,只能移動每一行最頂層的物件到其他行(含暫存區)的最頂層或目標區。在這篇報告中,我們給出了一個適用於n ? m ?1時的移動方法,此方法在一般的情形下,所需的移動次數未必是最少;但是在最不利於移動的情形下,我們證明此方法所需的移動步數為最少。There are mn objects, numbered from 1 to mn, put on an m× n matrix randomly, and there is another column with m blank spaces for temporary storage purpose during moving. In each step of moving, we can only move the top object from one column to the top of another column or to the target pile. The total steps needed to move these mn objects to the target pile in increasing order from the bottom to the top is studied in this article. A general method for solving this problem when n ? m ?1 is given, and we prove that it provides an optimal solution in the worst cases. However, it may not always provide the minimal steps in all cases.

相對論性高能電漿孤立子

本計畫採用數值模擬進行研究,撰寫一維電漿的物理程式來瞭解電漿孤立子在不均勻背景中的演化。我們於去年的計畫中,驗證了這個模型的準確性,這次進一步地在系統中,加入相對論的計算,用以觀察孤立子在相對論作用下的傳播及演化。我們可以觀察到不同參數的初始脈衝會影響到所生成的孤立子形狀,並藉由給予不均勻的背景環境,可以發現孤立子演化的準則。與期刊上發表的論文進行比較時,發現數值吻合,誤差約為1%。因此我們反向藉由論文中的運算式,解出一個孤立子,將其放入系統中,希望藉由這個方式更順利地了解孤立子在空間中的行為模式。未來,我們將利用這些結果來制定多維的電漿體數值模擬,其可以解釋現實宇宙中,蟹狀星雲能源運輸的問題。

沙瀑我愛羅的流沙忍術

本研究利用壓克力盒、沙子、小保麗龍球等簡易材料,自製多種不同排列的孔洞模式來尋找最佳的顆粒流化現象,發現影響顆粒流化有三種主因: 1.孔洞大小:直徑2mm,孔與孔之間的距離為2公分為最佳,面積越大則孔數越多, 孔數=(長/2)+1*(寬/2)+1。 2.顆粒:必須使用完全乾燥的沙子(顆粒大小為0.2~0.5mm之間)或小保麗龍球,顆粒高度5~25公分,無法使用綠豆、鹽、糖、麵粉等物品來代替。 3.氣流強度:氣壓大小需適中,太大會造成顆粒激烈翻騰或噴發,太小顆粒會不動或只微微震動。 最後利用分層彩沙與彩色小保麗龍球來探討流化軌跡與流化程度,藉由色層的移動,成功觀察顆粒流化軌跡的變化。

斑斑可考—斑葉植物與環境因子

本研究藉由調控各項環境因子,歸納斑葉植物與環境因子間的交互作用,進而比較不同成因、屬性的斑葉植物應變相同環境因子的策略差異。研究顯示,光限制、非光限制均會讓化學性斑葉植物啟動自體調節,且在相同控制變因項中,葉綠素濃度變化量與斑紋面積比例之增減多成負相關。越高的溫度、光合有效輻射值和灌溉源pH值,以及過多藍光,會使葉綠素濃度的變化量下降;且每日八小時的光照,相對而言是最不利於斑紋成長的光期。我們也比較了面對低光環境時,兩種成因不同的斑葉植物。黃金葛與銀后粗肋草各葉區的葉綠素濃度變化,化學性斑葉──黃金葛在低光環境的葉綠素濃度變化量較正常情況為低;物理性斑葉──粗肋草則完全相反。

都是氣泡惹的禍

當輕敲啤酒杯時,會發覺酒杯發出之聲調隨氣泡漸漸消失而有所改變。為了解氣泡是如何影響頻率,我測試了幾種含氣泡之飲料,以探討當氣泡漸漸消失時,杯子發聲頻率之變化。實驗發現杯子內飲料之氣泡漸漸消失時,裝啤酒與可樂杯子的發聲頻率逐漸增高,然而裝沙士杯子的頻率卻逐漸降低。為解開此相互矛盾的現象,我設計了將液面上之泡沫及液面下之氣泡分開檢驗的實驗。實驗結果發現,液體中氣泡的存在會使杯子發聲頻率變高。而當液體表面受到擾動時,會降低杯子的發聲頻率。若液面上存在泡沫時,杯子的發聲頻率也會變低。這表示裝盛含氣泡飲料杯子音律之變化,須同時考量液內含泡量與液體表面之效應。此結果可以成功的解釋為何啤酒、可樂與沙士於氣泡漸漸消失時,杯子頻率會變高或變低的現象。Tapping the side of a glass of beer as the bubbles escape, one can find that the pitch will change. In order to know how the bubbles would influence the frequency, I survey the pitches of a wine glass with various drinks that would generate bubbles. As bubbles getting away from the glass, my experimental data shows that the frequencies of the tone did get higher when the glass contains beer and coke. However, I surprisingly find a different result when the same glass contains sarsaparilla. Hence I design a series of experiments to understand the possible mechanism. The data suggests that when the drinks contain bubbles in it, the frequencies of the tones will be higher. When the liquid surfaces were disturbed, the frequencies of the tones will become lower. If there were foams above the liquid surfaces, the frequencies of the tones will also be lower. This finding proposes that people needs to consider both the bubble bulk status and surface effects. The consequences of the competitions between these two effects can successfully explain how the tones are changed in the cases of beer or sarsaparilla or coke.