denne artikel er en af en række eksperimenter, der er beregnet til at lære eleverne om, hvordan videnskab udføres, fra at generere en hypotese til at designe et eksperiment til at analysere resultaterne med statistik. Du kan gentage trinnene her og sammenligne dine resultater-eller bruge dette som inspiration til at designe dit eget eksperiment.
at lave rock candy derhjemme kræver kun to ingredienser — vand og sukker. En masse sukker, som jeg fandt ud af, da jeg kørte et rock candy eksperiment i 2018 (og løb tør for de søde ting). De fleste opskrifter anbefaler at bruge ca.tre gange så meget sukker som vand. Det er så meget, det virker som et spild. For at se om jeg kunne slippe af sted med mindre, kørte jeg et andet eksperiment.
Spoiler: mindre sukker er ikke svaret.
i mit tidligere eksperiment viste jeg, at frøkrystaller er meget vigtige for at skabe rock candy. At sætte et par sukkerkorn på en pind eller streng fremmer dannelsen af større krystaller. Dette fremskynder slikfremstillingen.
jeg havde beregnet, at for at lave nok rock candy til det eksperiment, skulle jeg fylde 52 plastik kopper med en sukkeropløsning. Men slikopskriften brugte mere sukker, end jeg havde forventet, og jeg løb hurtigt tør. Det skyldes, at opskriften krævede et kilo (8 kopper) sukker for hver 300 gram (2,7 kopper) vand. Det er et sukker-til-vand-forhold på 3: 1. Til sidst måtte jeg køre mit eksperiment med kun 18 plastikkopper.
det hele fungerede til sidst, og jeg var i stand til at teste min hypotese. Men jeg spekulerede på, om jeg kunne have brugt mindre sukker og mere vand. For at finde ud af, var et andet eksperiment i orden.
supermættet sukker
at lave rock candy starter med at opløse sukker i vand. Opskriftens forhold mellem sukker og vand er dog så højt, at sukkeret ikke opløses uden hjælp. Uanset hvor meget jeg rører, er der bare for meget sukker.
det ændrer sig, når vandtemperaturen stiger. Når vandet opvarmes, bevæger de enkelte vandmolekyler sig hurtigere og hurtigere. Disse hurtige molekyler kan lettere bryde de sukkerkrystaller, der var blevet dumpet i vandet. Snart opløses alt sukker i vandet, og vandet bliver klart.
denne løsning er dog ikke stabil. Det er en supermættet løsning. Vandet indeholder mere sukker, end det kan holde ved stuetemperatur. Når vandet afkøles, falder sukkeret langsomt ud-bliver fast igen. Hvis sukkerkrystallerne har noget at fastgøre til — såsom en pind eller et stykke snor med en lille smule sukker allerede på det — vil de have tendens til at fastgøre der. Over tid klæber nok sukkerkrystaller sammen for at lave en del af rock candy.
men hvor supermættet skal min løsning være for at lave rock candy? For at finde ud af dette, starter jeg med en erklæring, som jeg kan teste — en hypotese. Min hypotese er, at brug af et lavere forhold mellem sukker og vand i min opløsning vil producere mindre rock candy end en blanding med en høj sukkerkoncentration.
Madlavning Slik
for at teste denne hypotese lavede jeg tre partier rock candy. Den første batch er min kontrol — den originale rock candy opskrift med et 3:1 forhold mellem sukker og vand, en supermættet opløsning. Et andet parti brugte et sukker-til-vand-forhold på 1: 1. Denne opløsning er mættet-sukkeret går i opløsning under omrøring og måske lidt varme. Den tredje gruppe har en opløsning med et sukker-til-vand-forhold på 0,33:1. Denne opløsning er ikke mættet; sukkeret opløses i vandet ved stuetemperatur.
jeg kan ikke kun lave et stykke rock candy til hver testtilstand. Jeg er nødt til at gentage mit eksperiment og lave nok rock candy til at opdage en forskel mellem de tre grupper. Til dette eksperiment, det betød madlavning op 12 partier af rock candy for hver gruppe.
jeg har lavet rock candy til et eksperiment før. Denne gang, jeg lavede et par ændringer:
- mål ud og skær 36 rene stykker snor. Sørg for, at der er nok snor til at binde rundt om en pind over koppen, mens du stadig forlader strengen for at dingle ind i sukkeropløsningen.
- dyp den ene ende af strengen 12,7 centimeter (5 tommer) i en kop rent vand, og rul det derefter i en lille bunke sukker. Sæt til side for at tørre.
- sæt 36 plastik eller glas kopper.
- i en stor gryde bringes vandet og sukkeret i kog under omrøring. Hold øje med din blanding. Når vandet koger, skal sukkeret springe i opløsning, og vandet bliver klart.
- til din 3:1-opløsning blandes 512 gram (4 kopper) vand og 1,5 kg (12 kopper) sukker. Jeg lavede to partier, som endte med at bruge omkring 8 kopper vand og 24 kopper sukker i alt.
- til 1: 1-opløsningen tilsættes lige store mængder sukker og vand til gryden og koges. Så for 12 kopper vand skal du bruge 12 kopper sukker.
- for 0,33: 1-Opløsningen skal 15 kopper vand og 5 kopper sukker være rigeligt.
- når opløsningen er klar, skal du tilføje madfarve for at få en ønsket farve. Jeg brugte rød til min 3:1-løsning, grøn til min 1:1-løsning og blå til min 0,33:1-løsning.
- hvis din opløsning er varm, kan du vente et par minutter, før du hælder den i kopperne. Hvis kopperne er tynde, billige plastik, kan den varme væske få dem til at smelte og synke. (Dette skete for mig; mine røde kopper var triste og slappe i bunden.)
- hæld 300 ml (10 flydende ounces, lidt mere end en kop) af opløsningen i hver kop ved hjælp af en målekop. Det kan være nødvendigt at lave en anden batch eller to af hver opløsning, indtil du har nok til at fylde alle 12 kopper i hver gruppe.
- Vej hver streng, før du dypper den ned i opløsningen. Brug en skala til at finde massen af hver streng i gram (hver af mine vejede ca.et gram). Når du har bemærket massen, dypp pinden forsigtigt ned i en kop sukkeropløsning, og fastgør den derefter på plads. Sørg for, at strengen ikke berører bunden eller siderne af koppen. Jeg bundet hver streng til et træspyd placeret på tværs af flere kopper.
- sæt alle kopperne på et køligt, tørt sted, hvor de ikke bliver forstyrret.
- vent. Hvor længe? Du vil begynde at se sukkerkrystaller dannes efter en dag eller deromkring. Men hvis du vil have slik at spise, vil du gerne vente mindst fem dage.
i slutningen af eksperimentet skal du komme ud af skalaen igen. Træk hver streng ud af koppen, sørg for, at den ikke drypper, og Vej den en anden gang. Skal du spise det? Måske ikke.
har du dine data og spiser dem også?
for at finde ud af, hvor meget rock candy du lavede i hver gruppe, trækker du vægten af hver streng i begyndelsen af eksperimentet fra vægten af den slikbelagte streng. Det vil fortælle dig, hvor mange gram sukkerkrystaller der var vokset.
i slutningen af mit fem-dages eksperiment oprettede jeg et regneark med mine resultater, hvor hver gruppe fik sin egen kolonne. I bunden beregnede jeg gennemsnittet — den gennemsnitlige krystalvækst — for hver gruppe.
min supermættede kontrolgruppe voksede i gennemsnit 10,5 gram slik. Sliket så lyserødt og velsmagende ud. Men mine andre grupper voksede i gennemsnit-nul gram slik. De lignede bløde blå eller grønne stykker snor. Nogle af kopperne voksede endda skimmel. (Bruttonationalprodukt. Spis dem ikke.)
var de tre grupper forskellige fra hinanden? Det virkede bestemt som om den supermættede gruppe var anderledes. Men for at være sikker, jeg havde brug for at køre nogle statistikker — tests, der vil fortolke mine resultater.
den første test jeg gjorde var en analyse af varians, eller ANOVA. Denne test bruges til at sammenligne midlerne til tre eller flere grupper. Der er gratis regnemaskiner, der vil køre denne test for dig online. Jeg brugte den på gode regnemaskiner.
denne test giver dig to resultater, En F-stat og en p-værdi. En f-stat er et tal, der fortæller dig, om tre eller flere grupper er forskellige fra hinanden. Jo højere F-stat, jo mere sandsynligt er det, at grupperne er forskellige fra hinanden på en eller anden måde. Min F-stat var 42,8. Det er meget stort; der er en stor forskel mellem disse tre grupper.
p-værdien er et mål for Sandsynlighed. Det måler, hvor sandsynligt det er, at jeg ved et uheld ville finde en forskel mellem mine tre grupper, der var mindst lige så stor som den, jeg rapporterer. En p-værdi på mindre end 0,05 (eller fem procent) anses af mange forskere for at være statistisk “signifikant.”P-værdien, jeg fik fra gode regnemaskiner, var så lille, at den blev rapporteret som 0. Der er en 0 procent chance for, at jeg ville se en forskel så stor ved et uheld.
men disse er blot tal, der rapporterer en forskel mellem de tre grupper. De fortæller mig ikke, hvor forskellen er. Er det mellem kontrolgruppen og 0.33: 1-gruppen? 1: 1-gruppen og 0.33: 1-gruppen? Begge dele? Ingen af delene? Jeg aner det ikke.
for at lære, skal jeg køre en anden test. Denne test kaldes en post-hoc test — en, der lader mig analysere mine data yderligere. Post-hoc-test bør kun bruges, når du har et betydeligt resultat at analysere.
der er mange slags post-hoc tests. Jeg brugte Tukeys range test. Det vil sammenligne alle midler mellem alle grupperne. Så det vil sammenligne forholdet 3:1 mod 1:1, derefter 3:1 til 0,33 til 1 og til sidst 1: 1 til 0,33 til 1. For hver giver Tukey ‘ s range test en p-værdi.
min tukeys range test viste, at 3:1 kontrolgruppen var signifikant forskellig fra 1:1 (en p-værdi på 0,01, en en procent chance for en forskel). 3:1-gruppen var også signifikant forskellig fra 0.33: 1 (en p-værdi på 0.01). Men grupperne 1: 1 og 0, 33: 1 var ikke forskellige fra hinanden (som du ville forvente, da de begge var i gennemsnit nul krystalvækst). Jeg lavede en graf for at vise mine resultater.
dette eksperiment virker ret klart: hvis du vil have rock candy, har du brug for meget sukker. Den supermættede opløsning er et must, så sukkeret kan krystallisere ud på din streng.
men der er altid ting, som en videnskabsmand kan gøre bedre i enhver undersøgelse. For eksempel havde jeg tre grupper med forskellige mængder sukker i vandet. Men en anden god kontrol-en gruppe, hvor intet ændrer sig — ville være en uden sukker i vandet overhovedet. Næste gang jeg vil lave noget slik, har jeg endnu et eksperiment at lave.
materialeliste
granuleret sukker (6 poser, $6.36 hver)
Grillspyd (pakke med 100, $4.99)
klare plastikkopper (pakke med 100, $6.17)
streng ($2.84)
stor gryde (4 liter, $11.99)
målekopper ($7.46)
scotch tape ($1.99)
madfarve ($3.66)
rulle papirhåndklæder ($0.98)
nitril eller lateks handsker ($4.24)
lille digital skala ($11.85)