全國中小學科展

2021年

銅化合物細紋間距變化與散射光偏振態之關係與探討

45 度線偏振光入射銅化合物所得散射光為線偏振,銅片直立或橫置,在同一光源下,相對位置亮暗趨勢相似,故銅片上顏色變化非薄膜干涉。圓偏振光入射晶體,不同照相角度所得散射光強度、偏光軸偏轉及偏極化等變化,可推知為雙折射晶體。控溫定量供氧的均質銅化合物晶體,其散射光偏振態偏向圓偏振,因細紋、粒徑等因素,造成偏極化變化。 溫度梯度變化造成銅化合物晶體折射率及介電係數改變,為散射光強度、偏光軸偏轉及偏極化變化的主要因素,經由理論模擬更可得知散射光偏振態的細微變化;不同波長入射相同銅化合物晶體,所得偏光軸偏轉有極大差異,且變化不同波長的光強度所造成偏極化現象及晶體吸收率各有不同。 故不同波長的光進入銅化合物雙折射晶體時,因散射光強度變化、偏光軸偏轉差異、偏極化、取值角度及吸收率不同,晶體會有顏色差異及色彩變化。

利用次世代基因定序技術探討我國急性腹瀉患者之腸道菌叢表現

依據世界衛生組織2013年調查研究顯示,全球每年約有29%的孩童 (超過兩百萬名) 因腹瀉及肺炎而死亡,而在我國腹瀉群聚亦佔傳染病防治之大宗,尤其2020年受新冠肺炎(COVI-19) 疫情影響,台灣民眾均留在國內旅遊,腹瀉案件急速增加,且因適逢旅遊熱門旺季加上中小學開學之際,經常出現規模上百人的腹瀉群聚,危害民眾健康。現階段急性腹瀉病人的治療多以支持性療法為主,然而目前應用糞便移植重建腸道菌叢已是包括癌症在內的重症醫療方向之一。本研究應用次世代基因定序技術偵測微生物16S rRNA 的高變異區域進行急性腹瀉患者腸道微生物菌相組成、菌種豐富度分析及菌種鑑定,希望透過偵測急性腹瀉患者的腸道微生物相分析有助於理解腹瀉患者與健康人體腸道菌叢的差異,可提供未來臨床治療參考,亦可藉此推動從家庭到社區的全民健康促進,打造健康優質的生活品質。

Deep learning on Covid-19 prediction and X-ray severity grading system

利用深度學習解決醫學問題一直是受矚目的研究主題。鑒於近期新冠肺炎疫情上升,有關新冠肺炎檢測的研究便成了熱門研究主題。目前,最有效的檢測方法是聚合酶連鎖反應 (PCR),然而,PCR耗時甚久且有人為誤差。因此,以X光影像圖透過深度學習來診斷並分級是一個有效率且安全的做法。在研究中,我們利用深度學習進行疾病診斷,在五元分類上有相當高的準確率(84.91%)、在COVID-19單獨辨識時得到了極高的準確率(99.35%)、產生出疾病熱區及設計了新的分級系統( X-ray Severity Grading System , XSGS),並將其用於嚴重程度分類,在不同分級下具有可辨別的差異。

離子推進器之流場分析與探討

本研究藉調控電源供應器電壓至高壓模組,可輸出不同高壓電,驅動自製以銅釘與銅管構造離子推進器,產生不同大小推力。因推力極小需自製儀器測量,藉檢流計內渦形彈簧與通電後檢流計指針偏轉,製作電磁扭秤量測微小推力。發現驅動電壓(3.7~7.6kV)與離子推進力呈正相關。調整銅針與七枚銅管間距,間距小於0.80cm,尖端放電且推力略為降低,間距介於1.30cm與1.45cm時,轉變為吸力,進一步觀測單一銅管周圍流場,類似電偶極場分佈,說明離子推進器銅針與銅管間距小,視為平行板電場,而銅針與銅管間距大,可視為電偶極電場分佈。最後間距大於1.45cm時,推力驟減為零。產生離子風,通過銅管後的空氣噴流,磁力不偏向證實不具有正負電性,但未經銅管的噴流應帶有正電荷。

距離便是美—多維空間的支配數之討論

本研究保持社交距離為發想,探討從一維到多維空間的支配數。我們從使得三個同色單位方格不相連的二維情況,拓展至m個同色單位方格不相連的一維、二維、三維情況。本研究從The Domination Number of Grids這篇論文中汲取靈感,其中”Domination Number”也是「支配數」此名詞的由來。我們定義L_nt={(x_1,x_2,…,x_n)|x_1+x_2+⋯+x_n≡t (mod m),x_1∈[1,l_1 ],x_2∈[1,l_2 ],……,x_n∈[1,l_n ]},此處的l_n是邊長。對於一維情形的任意m,其支配數|A_1m |=⌊l_1/m⌋;對於二維情形且m=3時,我們經由列舉和畫圖證明其支配數|A_2 |=⌊(l_1 l_2)/3⌋。同樣的二維和三維情況在m=任意數時的支配數也可求得,不過在此我們改變了研究的方法,我們應用集合與同餘進行運算,除了減少窮舉將花費的時間,也可一次討論m=任意數的情況。

無線傳能 運用磁共振現象增加能量傳遞的效率

隨著無線傳輸技術的進步,第四代行動通訊技術的普及化,以及第五代行動通訊技術的來臨,象徵著無線充電即將取代接著充電線的充電方式,但市售的無線充電產品效率大多比不上用充電線充電,並且必須接觸在充電版上才可充電。為此我們運用磁共振的原理,增加無線充電產品的效率及可使用的距離。用自製的發射器(線圈)及接收器(線圈)模擬天線發出訊號與接收訊號,在發射器和接收器前端各放置一個主線圈用來發揮磁共振的效果,達到增加傳輸效率及可使用的距離。

應用網路爬蟲於社交軟體實現群眾互動平臺之研究

現今的大型活動,如:校慶活動、新北耶誕城等,缺乏互動性與參與感,其中原因大多是觀眾時常埋沒於手機中的社交軟體當中所導致。而我們的研究將利用此特性,探討大眾對於活動的觀點,搭配網路爬蟲抓取使用者的貼文,觀眾只需在Instagram、Twitter等社交軟體中發布文章,系統就會即時推播至活動中的大螢幕上,並且結合圖像辨識快速審核貼文,設計出一套能改善互動性低落的解決方案。研究中我們探討不同的網路爬蟲演算法、圖像辨識技術,及問卷調查等來使作品更加精進,且搭配Line Bot、後臺管理,及常駐貼文等功能來為各類大型活動量身打造,也能夠運用於政令宣導或文宣廣告等用途上,大幅提升活動的互動性與精采程度。

鎂金屬/二氧化碳電池之開發研究

全球暖化與氣候劇烈變遷是個迫在眉睫的問題,大氣中溫室氣體增加,主要是由於燃燒化石燃料排放二氧化碳所造成,若能把二氧化碳氣體加以利用,就能有效減緩地球溫度的上升。在本研究工作中,我們首先利用哈默法將石墨與強氧化劑生成氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO),然後以適當比例混合GO、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)與正己烷,成功地製備出多孔性石墨烯電極,並採用離子液體([EMIm]Cl)/碳酸丙烯酯(Propylene Carbonate, PC)作為電解質,搭配鎂金屬作為陽極,開發出低成本且實用性高的「鎂金屬∕CO2燃料電池」,此電池會將二氧化碳穩定的形成草酸鎂(Magnesium Oxalate Hydrate)封存起來,並產生1.6伏特的直流電壓,此一氣呵成的二氧化碳吸附、封存與產能發電,符合綠色環保與能量再生的永續循環理念,非常值得推廣及利用。

複數平面解析應用-探討旋轉三角形對西姆松線交點軌跡之影響

在三角形的外接圓上取一點,作其對三角形三邊的垂足,此時這三個垂足會共線,稱為西姆松線。本研究主要探討的問題為:當三角形以其外心旋轉 時 (我們稱之為對徑三角形),將此外接圓上一動點P對兩對徑三角形分別做西姆松線,我們想研究當P點在外接圓上轉動時,兩西姆松線的交點軌跡為何。我們將西姆松線放在複數平面上來分析,這兩條西姆松線會互相垂直,並且它們的交點軌跡為一橢圓。此橢圓會相切於兩對徑三角形的六條邊,因此我們將此橢圓稱作這兩對徑三角形的「六點橢圓」,並探討這個橢圓的性質。

Electrodeposited Co-Based Alloys as Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting

們對能源的大量需求,導致全球暖化與資源耗盡。本研究開發出新型水電解觸媒,以提升水裂解時產氫與產氧的效能。目前市面上所用的金屬觸媒如鉑、鈀,數量稀少且價格高昂,造成氫能發展受到限制。因此選用價格相對便宜的鈷作為核心製作水電解觸媒,比較單金屬與雙金屬觸媒的效能差異,以尋求效能最佳的觸媒。接著,針對各樣本進行多項分析,包括線掃描伏安法、X射線繞射儀掃描鑑定、穿隧式電子顯微鏡等。使用電鍍法則是因為其過程簡便快速,且能有效合成穩定、均勻的結構與表面型態,具大量生產、商業化的潛力。由結果可知,鈷鉬合金觸媒活性表現最佳,行析氧反應(OER)時,有相當低的過電位(η = 290 mV@10 mA cm-2)及塔弗斜率(61.1 mV/dec);行析氫反應(HER)時,其過電位(η = 56.8 mV@10 mA cm-2)和塔弗斜率(93.6 mV/dec)亦有良好表現。期望未來能將研究成果應用於綠色能源與工業中,解決現今面臨的能源危機。