tento článek je jedním z řady experimentů, které mají učit studenty o tom, jak se věda dělá, od generování hypotézy po navrhování experimentu až po analýzu výsledků pomocí statistik. Zde můžete kroky opakovat a porovnat své výsledky-nebo je použít jako inspiraci k návrhu vlastního experimentu.
výroba cukrovinek doma vyžaduje pouze dvě složky-vodu a cukr. Hodně cukru, jak jsem zjistil, když jsem v roce 2018 provedl experiment s cukrovinkami (a došly sladké věci). Většina receptů doporučuje používat asi třikrát tolik cukru než voda. To je tolik, že to vypadá jako plýtvání. Abych zjistil, jestli mi projde méně, provedl jsem další experiment.
Spoiler: méně cukru není odpověď.
v mém předchozím experimentu jsem ukázal, že krystaly semen jsou velmi důležité pro vytváření rock candy. Vložení několika zrn cukru na hůl nebo provázek podporuje tvorbu větších krystalů. To urychluje výrobu cukrovinek.
vypočítal jsem, že abych pro tento experiment vyrobil dostatek cukrovinek, budu muset naplnit 52 plastových kelímků roztokem cukru. Ale recept na bonbóny používal více cukru, než jsem čekal, a rychle jsem došel. Je to proto, že recept vyžadoval jeden kilogram (8 šálků) cukru na každých 300 gramů (2, 7 šálků) vody. To je poměr cukru k vodě 3: 1. Nakonec jsem musel svůj experiment spustit pouze s 18 plastovými kelímky.
nakonec to všechno vyšlo a já jsem byl schopen otestovat svou hypotézu. Ale přemýšlel jsem, jestli bych mohl použít méně cukru a více vody. Chcete-li zjistit, byl v pořádku další experiment.
Super nasycený cukr
výroba cukrovinek začíná rozpuštěním cukru ve vodě. Poměr cukru k vodě v receptu je však tak vysoký, že se cukr bez pomoci nerozpustí. Bez ohledu na to, kolik míchám, je tam příliš mnoho cukru.
to se mění, když se teplota vody zvýší. Jak se voda ohřívá, jednotlivé molekuly vody se pohybují rychleji a rychleji. Tyto rychlé molekuly mohou snadněji rozbít cukrové krystaly, které byly vyhozeny do vody. Brzy se veškerý cukr rozpustí ve vodě a voda se vyčistí.
toto řešení však není stabilní. Je to super nasycené řešení. Voda obsahuje více cukru, než může držet při pokojové teplotě. Jak se voda ochladí, cukr se pomalu vysráží – opět ztuhne. Pokud mají cukrové krystaly něco, na co se připevňují-například hůl nebo kousek provázku s trochou cukru, který je již na něm-budou mít tendenci se tam připevňovat. Postupem času se dostatek krystalů cukru drží pohromadě, aby se vyrobil kus cukroví.
ale jak super-nasycené musí být moje řešení, aby se rock candy? Abych to zjistil, začnu tvrzením — které mohu otestovat-hypotéza. Moje hypotéza je, že použití nižšího poměru cukru k vodě v mém roztoku bude produkovat méně rock candy než směs s vysokou koncentrací cukru.
vaření cukroví
abych otestoval tuto hypotézu, vyrobil jsem tři šarže rock candy. První várka je moje kontrola-originální recept na rock candy s poměrem cukru k vodě 3:1, super nasyceným roztokem. Druhá šarže používala poměr cukru k vodě 1: 1. Tento roztok je nasycený-cukr jde do roztoku za míchání a možná trochu tepla. Třetí skupina má roztok s poměrem cukru k vodě 0,33: 1. Tento roztok není nasycený, cukr se rozpustí ve vodě při pokojové teplotě.
nemohu vyrobit pouze jeden kus rock candy pro každou zkušební podmínku. Musím zopakovat svůj experiment a udělat dost rock candy, abych zjistil rozdíl mezi těmito třemi skupinami. Pro tento experiment, to znamenalo vaření 12 šarže rock candy pro každou skupinu.
udělal jsem rock candy pro experiment dříve. Tentokrát jsem udělal několik změn:
- změřte a odřízněte 36 čistých kusů provázku. Ujistěte se, že je dostatek provázku, který se uváže kolem tyčinky nad šálkem, a přitom nechte provázek viset do roztoku cukru.
- ponořte jeden konec řetězce 12, 7 centimetrů (5 palců) do šálku čisté vody a poté jej převalte do malé hromady cukru. Odložte na sucho.
- nastavte 36 plastových nebo skleněných kelímků.
- ve velkém hrnci přiveďte vodu a cukr k varu za stálého míchání. Dávejte pozor na svůj mix. Když voda přijde k varu, cukr by měl vyskočit do roztoku a voda bude čistá.
- pro váš roztok 3:1 smíchejte 512 gramů (4 šálky) vody a 1, 5 kilogramu (12 šálků) cukru. Udělal jsem dvě dávky, které skončily použitím asi 8 šálků vody a 24 šálků cukru celkem.
- pro roztok 1:1 přidejte do hrnce stejné množství cukru a vody a přiveďte k varu. Takže pro 12 šálků vody budete potřebovat 12 šálků cukru.
- pro roztok 0,33: 1 by mělo být dostatek 15 šálků vody a 5 šálků cukru.
- jakmile je roztok Čirý, přidejte potravinářské barvivo, abyste získali požadovanou barvu. Použil jsem červenou pro můj roztok 3:1, zelenou pro můj roztok 1:1 a modrou pro můj roztok 0.33:1.
- pokud je váš roztok horký, možná budete chtít počkat několik minut, než jej nalijete do šálků. Pokud jsou šálky tenké, levný plast, horká tekutina by je mohla roztavit a prohýbat. (To se mi stalo; moje červené poháry byly smutné a prohnutý na dně.)
- pomocí odměrky nalijte do každého šálku 300 mililitrů (10 uncí tekutiny, o něco více než šálek) roztoku. Možná budete muset vyrobit další dávku nebo dvě z každého roztoku, dokud nebudete mít dostatek k vyplnění všech 12 šálků v každé skupině.
- před ponořením do roztoku zvažte každý řetězec. Použijte měřítko k nalezení hmotnosti každého řetězce v gramech (každý z mých vážil asi jeden gram). Jakmile si všimnete hmoty, ponořte hůl opatrně do šálku cukrového roztoku a poté ji zajistěte na místě. Ujistěte se, že se řetězec nedotýká dna nebo stran šálku. Každou šňůru jsem přivázal k dřevěnému špízu umístěnému přes několik šálků.
- vložte všechny šálky na chladné a suché místo, kde nebudou rušeny.
- počkejte. Jak dlouho? Po dni nebo tak začnete vidět cukrové krystaly. Ale pokud chcete cukroví jíst, budete chtít počkat nejméně pět dní.
na konci experimentu znovu vyjměte stupnici. Vytáhněte každý řetězec z jeho šálku, ujistěte se, že nekape, a zvážte jej podruhé. Měli byste to jíst? Možná ne.
máte svá data a jíst to taky?
Chcete-li zjistit, kolik rock candy jste vyrobili v každé skupině, odečtěte hmotnost každého řetězce na začátku experimentu od hmotnosti řetězce potaženého bonbóny. To vám řekne, kolik gramů krystalů cukru rostlo.
na konci svého pětidenního experimentu jsem vytvořil tabulku svých výsledků, přičemž každá skupina získala svůj vlastní sloupec. Ve spodní části jsem vypočítal průměr-průměrný růst krystalů – pro každou skupinu.
Moje super nasycená kontrolní skupina rostla v průměru 10,5 gramů cukrovinek. Bonbón vypadal růžově a chutně. Ale moje další skupiny rostly v průměru-nula gramů cukroví. Vypadaly jako promočené modré nebo zelené kousky provázku. Některé z šálků dokonce rostly plísní. (Hrubý. Nejez to.)
lišily se tyto tři skupiny od sebe? Určitě to vypadalo, že super-nasycená skupina je jiná. Ale pro jistotu, potřeboval jsem spustit nějaké statistiky-testy, které interpretují Moje zjištění.
první test, který jsem udělal, byla analýza rozptylu nebo ANOVA. Tento test se používá k porovnání prostředků tří nebo více skupin. K dispozici jsou bezplatné kalkulačky, které vám tento test provedou online. Použil jsem ten v dobrých kalkulačkách.
tento test vám dává dva výsledky, F-stat a p hodnotu. F-stat je číslo, které vám řekne, zda se tři nebo více skupin od sebe liší. Čím vyšší je F-stat, tím je pravděpodobnější, že se skupiny nějakým způsobem liší. Můj F-stat byl 42,8. To je velmi velké; mezi těmito třemi skupinami je velký rozdíl.
hodnota p je měřítkem pravděpodobnosti. Měří, jak je pravděpodobné, že bych náhodou našel rozdíly mezi mými třemi skupinami, které byly přinejmenším stejně velké jako ta, kterou uvádím. Hodnota p menší než 0,05 (nebo pět procent) je považována mnoha vědci za statisticky „významnou“.“Hodnota p, kterou jsem dostal od dobrých kalkulaček, byla tak malá, že byla hlášena jako 0. Je tu 0 procentní šance, že bych náhodou viděl tak velký rozdíl.
ale to jsou jen čísla, která hlásí rozdíl mezi těmito třemi skupinami. Neříkají mi, kde je rozdíl. Je to mezi kontrolní skupinou a skupinou 0,33:1? Skupina 1:1 a skupina 0,33:1? Obojí? Ani jedno? Nemám tušení.
abych se naučil, musím spustit další test. Tento test se nazývá post-hoc test — ten, který mi umožňuje dále analyzovat moje data. Post-hoc testy by měly být použity pouze v případě, že máte významný výsledek k analýze.
existuje mnoho druhů post-hoc testů. Použil jsem tukeyho test dosahu. Bude porovnávat všechny prostředky mezi všemi skupinami. Takže porovná poměr 3:1 proti poměru 1: 1, pak 3: 1 až 0,33 ku 1 a nakonec 1: 1 až 0,33 ku 1. Pro každý z nich dává tukeyův test rozsahu hodnotu p.
můj tukeyův test rozsahu ukázal, že kontrolní skupina 3:1 byla významně odlišná od 1: 1 (hodnota p 0,01, jednoprocentní šance na rozdíl). Skupina 3: 1 se také významně lišila od 0,33: 1(hodnota p 0,01). Skupiny 1:1 a 0, 33:1 se však od sebe nelišily (což byste očekávali, protože obě z nich měly v průměru nulový růst krystalů). Udělal jsem graf, abych ukázal své výsledky.
tento experiment se zdá být docela jasný: pokud chcete rock candy, potřebujete hodně cukru. Super nasycený roztok je nutností, aby cukr mohl vykrystalizovat na váš řetězec.
ale vždy existují věci, které může vědec udělat lépe v jakékoli studii. Například jsem měl ve vodě tři skupiny s různým množstvím cukru. Ale další dobrá kontrola-skupina, kde se nic nemění — by byla ta, která nemá ve vodě vůbec žádný cukr. Až si příště budu chtít udělat nějaké cukroví, musím udělat další experiment.
seznam materiálů
granulovaný cukr (6 sáčků, $6.36 každý)
Grilovací špízy (balení 100, $4.99)
čiré plastové kelímky (balení 100, $6.17)
řetězec ($2.84)
velký hrnec (4 litry, $11.99)
odměrky ($7.46)
Scotch tape ($1.99)
potravinářské barvivo ($3.66)
role papírových ručníků ($0.98)
nitrilové nebo latexové rukavice ($4.24)
malé digitální měřítko ($11.85)