Cet article fait partie d’une série d’expériences destinées à enseigner aux étudiants comment la science est faite, de la génération d’une hypothèse à la conception d’une expérience en passant par l’analyse des résultats avec des statistiques. Vous pouvez répéter les étapes ici et comparer vos résultats – ou vous en inspirer pour concevoir votre propre expérience.
Faire des bonbons à la maison ne nécessite que deux ingrédients— l’eau et le sucre. Beaucoup de sucre, comme je l’ai découvert lorsque j’ai mené une expérience de bonbons de roche en 2018 (et que je n’avais plus de trucs sucrés). La plupart des recettes recommandent d’utiliser environ trois fois plus de sucre que d’eau. C’est tellement, ça semble être du gaspillage. Pour voir si je pouvais m’en tirer avec moins, j’ai fait une autre expérience.
Spoiler: Moins de sucre n’est pas la solution.
Dans mon expérience précédente, j’ai montré que les cristaux de graines sont très importants pour créer des bonbons de roche. Mettre quelques grains de sucre sur un bâton ou une ficelle favorise la formation de cristaux plus gros. Cela accélère la fabrication des bonbons.
J’avais calculé que pour faire suffisamment de bonbons pour cette expérience, je devais remplir 52 gobelets en plastique avec une solution de sucre. Mais la recette de bonbons a utilisé plus de sucre que ce à quoi je m’attendais et j’ai rapidement manqué. En effet, la recette nécessitait un kilogramme (8 tasses) de sucre pour 300 grammes (2,7 tasses) d’eau. C’est un rapport sucre/eau de 3:1. En fin de compte, j’ai dû exécuter mon expérience avec seulement 18 gobelets en plastique.
Tout a fonctionné à la fin et j’ai pu tester mon hypothèse. Mais je me demandais si j’aurais pu utiliser moins de sucre et plus d’eau. Pour le savoir, une autre expérience était en ordre.
Sucre super-saturé
La fabrication de bonbons de roche commence par la dissolution du sucre dans l’eau. Le rapport sucre / eau de la recette est si élevé, cependant, que le sucre ne se dissoudra pas sans aide. Peu importe combien je remue, il y a juste trop de sucre.
Qui change lorsque la température de l’eau augmente. À mesure que l’eau se réchauffe, les molécules d’eau individuelles se déplacent de plus en plus rapidement. Ces molécules rapides peuvent plus facilement briser les cristaux de sucre qui avaient été déversés dans l’eau. Bientôt, tout le sucre se dissout dans l’eau et l’eau devient claire.
Cette solution n’est cependant pas stable. C’est une solution super saturée. L’eau contient plus de sucre qu’elle ne peut contenir à température ambiante. Alors que l’eau refroidit, le sucre précipite lentement — redevenant solide. Si les cristaux de sucre ont quelque chose à attacher — comme un bâton ou un morceau de ficelle avec un peu de sucre déjà dessus — ils auront tendance à s’y attacher. Au fil du temps, suffisamment de cristaux de sucre s’accrochent pour former un morceau de bonbons de roche.
Mais à quel point ma solution doit-elle être super saturée pour faire des bonbons de roche? Pour comprendre cela, je vais commencer par une déclaration que je peux tester — une hypothèse. Mon hypothèse est que l’utilisation d’un rapport sucre / eau plus faible dans ma solution produira moins de bonbons de roche qu’un mélange à forte concentration de sucre.
Bonbons de cuisson
Pour tester cette hypothèse, j’ai fabriqué trois lots de bonbons de roche. Le premier lot est mon contrôle — la recette originale de bonbons de roche avec un rapport sucre / eau de 3: 1, une solution super saturée. Un deuxième lot a utilisé un rapport sucre/eau de 1:1. Cette solution est saturée — le sucre entre en solution en remuant et peut-être un peu de chaleur. Le troisième groupe a une solution avec un rapport sucre / eau de 0,33: 1. Cette solution n’est pas saturée; le sucre se dissout dans l’eau à température ambiante.
Je ne peux pas fabriquer un seul morceau de bonbon pour chaque condition de test. Je dois répéter mon expérience et faire suffisamment de bonbons pour détecter une différence entre les trois groupes. Pour cette expérience, cela signifiait la cuisson de 12 lots de bonbons pour chaque groupe.
J’ai déjà fait des bonbons pour une expérience. Cette fois, j’ai fait quelques changements:
- Mesurez et coupez 36 morceaux de ficelle propres. Assurez-vous qu’il y a suffisamment de ficelle pour attacher un bâton au-dessus de la tasse, tout en laissant la ficelle se balancer dans la solution de sucre.
- Trempez une extrémité de la ficelle de 12,7 centimètres (5 pouces) dans une tasse d’eau propre, puis roulez-la dans un petit tas de sucre. Réserver pour sécher.
- Prévoir 36 gobelets en plastique ou en verre.
- Dans une grande casserole, porter l’eau et le sucre à ébullition en remuant. Gardez un œil sur votre mélange. Lorsque l’eau arrive à ébullition, le sucre doit entrer en solution et l’eau devient claire.
- Pour votre solution 3:1, mélangez 512 grammes (4 tasses) d’eau et 1,5 kilogramme (12 tasses) de sucre. J’ai fait deux lots, qui ont fini par utiliser environ 8 tasses d’eau et 24 tasses de sucre au total.
- Pour la solution 1: 1, ajoutez des quantités égales de sucre et d’eau dans la casserole et portez à ébullition. Donc, pour 12 tasses d’eau, vous auriez besoin de 12 tasses de sucre.
- Pour la solution 0,33: 1, 15 tasses d’eau et 5 tasses de sucre devraient être abondantes.
- Une fois que la solution est claire, ajoutez du colorant alimentaire pour obtenir la couleur désirée. J’ai utilisé du rouge pour ma solution 3: 1, du vert pour ma solution 1: 1 et du bleu pour ma solution 0.33: 1.
- Si votre solution est chaude, vous voudrez peut-être attendre quelques minutes avant de la verser dans les tasses. Si les gobelets sont en plastique fin et bon marché, le liquide chaud pourrait les faire fondre et s’affaisser. (Cela m’est arrivé; mes tasses rouges étaient tristes et affaissées au fond.)
- À l’aide d’une tasse à mesurer, versez 300 millilitres (10 onces liquides, un peu plus d’une tasse) de la solution dans chaque tasse. Vous devrez peut-être préparer un autre lot ou deux de chaque solution jusqu’à ce que vous en ayez assez pour remplir les 12 tasses de chaque groupe.
- Pesez chaque chaîne avant de la plonger dans la solution. Utilisez une échelle pour trouver la masse de chaque corde en grammes (chacune des miennes pesait environ un gramme). Une fois que vous avez noté la masse, trempez soigneusement le bâton dans une tasse de solution de sucre, puis fixez-le en place. Assurez-vous que la ficelle ne touche pas le fond ou les côtés de la tasse. J’ai attaché chaque ficelle à une brochette en bois placée sur plusieurs tasses.
- Placez toutes les tasses dans un endroit frais et sec où elles ne seront pas dérangées.
- Attendez. Combien de temps ? Vous commencerez à voir des cristaux de sucre se former après environ une journée. Mais si vous voulez manger des bonbons, vous voudrez attendre au moins cinq jours.
À la fin de l’expérience, sortez à nouveau l’échelle. Sortez chaque ficelle de sa tasse, assurez-vous qu’elle ne coule pas et pesez-la une deuxième fois. Devriez-vous le manger? Peut-être pas.
Avoir vos données et les manger aussi?
Pour savoir combien de bonbons de roche vous avez fabriqués dans chaque groupe, soustrayez le poids de chaque chaîne au début de l’expérience du poids de la chaîne enrobée de bonbons. Cela vous dira combien de grammes de cristaux de sucre avaient poussé.
À la fin de mon expérience de cinq jours, j’ai créé une feuille de calcul de mes résultats, chaque groupe obtenant sa propre colonne. En bas, j’ai calculé la moyenne — la croissance cristalline moyenne — pour chaque groupe.
Mon groupe témoin super-saturé a augmenté de 10,5 grammes de bonbons en moyenne. Les bonbons avaient l’air roses et savoureux. Mais mes autres groupes ont augmenté en moyenne — zéro gramme de bonbons. Ils ressemblaient à des morceaux de ficelle bleu ou vert détrempé. Certaines tasses ont même poussé de la moisissure. (Brut. Ne mange pas ça.)
Les trois groupes étaient-ils différents les uns des autres? Il semblait certainement que le groupe super saturé était différent. Mais pour être sûr, j’avais besoin d’exécuter des tests statistiques qui interpréteront mes résultats.
Le premier test que j’ai fait était une analyse de la variance, ou ANOVA. Ce test est utilisé pour comparer les moyennes de trois groupes ou plus. Il existe des calculatrices gratuites qui exécuteront ce test pour vous en ligne. J’ai utilisé celui de Bonnes calculatrices.
Ce test vous donne deux résultats, une statistique F et une valeur p. Une F-stat est un nombre qui vous indique si trois groupes ou plus sont différents les uns des autres. Plus la statistique F est élevée, plus il est probable que les groupes soient différents les uns des autres d’une manière ou d’une autre. Ma F-stat était de 42,8. C’est très important; il y a une grande différence entre ces trois groupes.
La valeur p est une mesure de probabilité. Il mesure à quel point il est probable que je trouve par accident seulement une différence entre mes trois groupes qui était au moins aussi grande que celle que je rapporte. Une valeur de p inférieure à 0,05 (ou cinq pour cent) est considérée par de nombreux scientifiques comme statistiquement « significative. »La valeur p que j’ai obtenue de bonnes calculatrices était si petite qu’elle a été signalée comme 0. Il y a 0% de chances que je voie une différence aussi importante par accident.
Mais ce ne sont que des nombres qui signalent une différence entre les trois groupes. Ils ne me disent pas où est la différence. Est-ce entre le groupe témoin et le groupe 0.33:1? Le groupe 1:1 et le groupe 0.33:1? Les deux ? Ni l’un ni l’autre ? Aucune idée.
Pour apprendre, je dois exécuter un autre test. Ce test s’appelle un test post-hoc — qui me permet d’analyser davantage mes données. Les tests post-hoc ne doivent être utilisés que lorsque vous avez un résultat significatif à analyser.
Il existe de nombreux types de tests post-hoc. J’ai utilisé le test de portée de Tukey. Il comparera tous les moyens entre tous les groupes. Il comparera donc le rapport 3: 1 contre le 1: 1, puis 3: 1 à 0,33 à 1, et enfin 1: 1 à 0,33 à 1. Pour chacun, le test de plage de Tukey donne une valeur p.
Mon test de plage de Tukey a montré que le groupe témoin 3: 1 était significativement différent du groupe témoin 1: 1 (une valeur p de 0,01, une probabilité de différence d’un pour cent). Le groupe 3:1 était également significativement différent du groupe 0.33:1 (une valeur p de 0.01). Mais les groupes 1: 1 et 0.33: 1 n’étaient pas différents les uns des autres (ce à quoi vous vous attendiez, puisque les deux étaient en moyenne à une croissance cristalline nulle). J’ai fait un graphique pour montrer mes résultats.
Cette expérience semble assez claire: Si vous voulez des bonbons de roche, vous avez besoin de beaucoup de sucre. La solution super-saturée est un must pour que le sucre puisse cristalliser sur votre ficelle.
Mais il y a toujours des choses qu’un scientifique peut faire mieux dans n’importe quelle étude. Par exemple, j’avais trois groupes avec des quantités différentes de sucre dans l’eau. Mais un autre bon contrôle — un groupe où rien ne change – serait celui sans aucun sucre dans l’eau. La prochaine fois que je veux me faire des bonbons, j’ai une autre expérience à faire.
Liste des Matériaux
sucre Granulé (6 sacs, $6.36 chaque)
Griller les brochettes (pack de 100, $4.99)
Effacer les gobelets en plastique (paquet de 100, $6.17)
String ($2.84)
Grand pot (4 pintes, $11.99)
tasses à Mesurer ($7.46)
Scotch ($1.99)
colorant Alimentaire ($3.66)
Rouleau de serviettes en papier (0,98 usd)
Nitrile ou en latex gants ($4.24)
Petite échelle numérique ($11.85)