ez a cikk egy olyan kísérletsorozat, amelynek célja a hallgatók megtanítása arról, hogyan történik a tudomány, a hipotézis létrehozásától a kísérlet megtervezéséig az eredmények statisztikákkal történő elemzéséig. Itt megismételheti a lépéseket, és összehasonlíthatja az eredményeket — vagy ezt inspirációként használhatja saját kísérletének megtervezéséhez.
az otthoni cukorka készítéséhez mindössze két összetevőre van szükség: vízre és cukorra. Sok cukor, amint megtudtam, amikor 2018-ban egy rock candy kísérletet futtattam (és elfogyott az édes cucc). A legtöbb recept körülbelül háromszor annyi cukrot használ, mint a víz. Ez olyan sok, úgy tűnik, mint egy hulladék. Hogy lássam, megúszhatom-e kevesebbel, lefuttattam egy másik kísérletet.
Spoiler: A kevesebb cukor nem megoldás.
előző kísérletemben megmutattam, hogy a magkristályok nagyon fontosak a kőcukorkák létrehozásához. Néhány szem cukor botra vagy húrra helyezése elősegíti a nagyobb kristályok képződését. Ez felgyorsítja a cukorkakészítést.
kiszámoltam, hogy ahhoz, hogy elegendő kőcukrot készítsek a kísérlethez, 52 műanyag poharat kell megtöltenem cukoroldattal. De a cukorka receptje több cukrot használt, mint amire számítottam, és gyorsan elfogyott. Ez azért van, mert a recepthez egy kilogramm (8 csésze) cukor szükséges minden 300 gramm (2,7 csésze) vízhez. Ez a cukor / víz arány 3: 1. Végül csak 18 műanyag pohárral kellett futtatnom a kísérletemet.
végül minden megoldódott, és képes voltam tesztelni a hipotézisemet. De azon tűnődtem, vajon használhattam volna-e kevesebb cukrot és több vizet. Hogy megtudja, egy másik kísérlet rendben volt.
szuper telített cukor
a kőcukorkák készítése a cukor vízben való feloldásával kezdődik. A recept cukor-víz aránya azonban olyan magas, hogy a cukor nem oldódik fel segítség nélkül. Nem számít, mennyit keverek, túl sok a cukor.
ez megváltozik, amikor a víz hőmérséklete emelkedik. Ahogy a víz felmelegszik, az egyes vízmolekulák egyre gyorsabban mozognak. Ezek a gyors molekulák könnyebben fel tudják bontani a vízbe dobott cukorkristályokat. Hamarosan az összes cukor feloldódik a vízben, és a víz tisztává válik.
ez a megoldás azonban nem stabil. Ez egy szuper telített oldat. A víz több cukrot tartalmaz, mint szobahőmérsékleten. Ahogy a víz lehűl, azután, a cukor lassan kicsapódik — ismét szilárdvá válik. Ha a cukorkristályoknak van valami, amihez kapcsolódniuk kell — például egy botot vagy húrdarabot, amelyen már van egy kis cukor -, akkor hajlamosak oda rögzíteni. Az idő múlásával elegendő cukorkristály tapad össze, hogy egy darab rock cukorkát készítsen.
de mennyire kell szuper telítettnek lennie a megoldásomnak a rock candy készítéséhez? Hogy ezt kiderítsem, egy kijelentéssel kezdem, amelyet tesztelhetek — egy hipotézist. Hipotézisem az, hogy ha alacsonyabb cukor-víz arányt használok az oldatomban, kevesebb kőcukorkát eredményez, mint egy magas cukortartalmú keverék.
Szakácscukor
ennek a hipotézisnek a teszteléséhez három tétel cukorkát készítettem. Az első tétel az én ellenőrzésem — az eredeti rock candy recept 3: 1 arányú cukor / víz arányban, szuper telített oldat. A második tétel 1:1 cukor-víz arányt használt. Ez az oldat telített — a cukor keverés közben oldatba kerül, talán egy kis hővel. A harmadik csoportnak 0,33:1 cukor-víz arányú oldata van. Ez az oldat nem telített, a cukor szobahőmérsékleten feloldódik a vízben.
nem tudok csak egy darab kő cukorkát készíteni minden tesztfeltételhez. Meg kell ismételnem a kísérletemet, és annyi cukorkát kell készítenem, hogy észlelhessem a különbséget a három csoport között. Ehhez a kísérlethez, ez azt jelentette, hogy szakács fel 12 tétel rock cukorka minden csoport számára.
korábban már készítettem rock cukorkát egy kísérlethez. Ezúttal, tettem néhány változtatást:
- mérjen ki és vágjon 36 tiszta madzagot. Győződjön meg arról, hogy van-e elegendő húr ahhoz, hogy a csésze fölött egy botot kössön, miközben továbbra is hagyja, hogy a húr a cukoroldatba lógjon.
- mártsa a húr egyik végét 12,7 centiméterre (5 hüvelyk) egy csésze tiszta vízbe, majd tekerje egy kis halom cukorba. Tegye félre, hogy megszáradjon.
- meghatározott 36 műanyag vagy üveg pohár.
- egy nagy edényben forraljuk fel a vizet és a cukrot keverés közben. Tartsd szemmel a mix. Amikor a víz felforr, a cukornak oldatba kell pattannia, és a víz tiszta lesz.
- a 3:1 arányú oldathoz keverjen össze 512 gramm (4 csésze) vizet és 1,5 kilogramm (12 csésze) cukrot. Két adagot készítettem, amelyek végül körülbelül 8 csésze vizet és 24 csésze cukrot használtak fel.
- az 1:1 arányú oldathoz adjunk hozzá egyenlő mennyiségű cukrot és vizet az edénybe, és forraljuk fel. Tehát 12 csésze vízhez 12 csésze cukorra lenne szükség.
- a 0,33: 1 arányú oldathoz 15 csésze víz és 5 csésze cukor elegendő.
- Miután az oldat tiszta, adjon hozzá ételfestéket a kívánt szín eléréséhez. A 3:1-es megoldáshoz pirosat, az 1:1-es megoldáshoz zöldet, a 0,33:1-es megoldáshoz pedig kéket használtam.
- ha az oldat forró, érdemes várni néhány percet, mielőtt a csészékbe öntené. Ha a csészék vékonyak, olcsó műanyagok, a forró folyadék megolvaszthatja és megereszkedhet. (Ez történt velem; a piros csészéim szomorúak voltak, alul pedig megereszkedtek.)
- mérőpohár segítségével öntsön 300 millilitert (10 folyadék uncia, valamivel több, mint egy csésze) az oldatból minden csészébe. Lehet, hogy mindegyik oldatból újabb vagy két adagot kell készítenie, amíg elegendő lesz az egyes csoportok mind a 12 csészéjének kitöltéséhez.
- mérje meg az egyes húrokat, mielőtt belemerítené az oldatba. Skála segítségével keresse meg az egyes húrok tömegét grammban (mindegyik súlya körülbelül egy gramm volt). Miután megjegyezte a tömeget, óvatosan mártsa be a botot egy csésze cukoroldatba, majd rögzítse a helyére. Ügyeljen arra, hogy a húr ne érjen a csésze aljához vagy oldalához. Minden húrot egy több csészére helyezett fa nyárshoz kötöttem.
- tegye az összes csészét hűvös, száraz helyre, ahol nem zavarják őket.
- várjon. Mennyi idő? Körülbelül egy nap múlva látni fogja a cukorkristályok kialakulását. De ha édességet akar enni, akkor legalább öt napot kell várnia.
a kísérlet végén vegye ki újra a skálát. Húzza ki az egyes húrokat a csészéből, győződjön meg róla, hogy nem csöpög, és mérje meg másodszor. Meg kell enned? Talán nem.
megvan az adatod és meg is eszed?
annak megállapításához, hogy mennyi kőcukrot készített az egyes csoportokban, vonja le az egyes húrok súlyát a kísérlet elején a cukorkával bevont húr súlyából. Ez megmondja, hogy hány gramm cukor kristály nőtt.
az ötnapos kísérletem végén létrehoztam egy táblázatot az eredményeimről, minden csoport saját oszlopot kapott. Alul kiszámoltam az átlagot — az átlagos kristálynövekedést-minden csoportra.
a szuper telített kontrollcsoportomban átlagosan 10,5 gramm cukorka nőtt. A cukorka rózsaszínűnek és ízletesnek tűnt. De a többi csoportom átlagosan nőtt-nulla gramm cukorka. Úgy néztek ki, mint a nedves kék vagy zöld húrdarabok. Néhány csésze még penész is nőtt. (Bruttó. Ne edd meg azokat.)
a három csoport különbözött egymástól? Minden bizonnyal úgy tűnt, hogy a szuper telített csoport más volt. De az biztos, hogy le kellett futtatnom néhány statisztikát-teszteket, amelyek értelmezik a megállapításaimat.
az első teszt, amelyet elvégeztem, a variancia elemzése volt, vagy ANOVA. Ezt a tesztet három vagy több csoport eszközeinek összehasonlítására használják. Vannak ingyenes számológépek, amelyek online futtatják ezt a tesztet. A jó Számológépeknél használtam.
ez a teszt két eredményt ad, egy F-stat és egy p értéket. Az F-stat egy olyan szám, amely megmondja, hogy három vagy több csoport különbözik-e egymástól. Minél magasabb az F-stat, annál valószínűbb, hogy a csoportok valamilyen módon különböznek egymástól. Az F-stat 42,8 volt. Ez nagyon nagy; nagy különbség van e három csoport között.
a p érték a valószínűség mértéke. Azt méri, hogy mennyire valószínű, hogy csak véletlenül találnék különbséget a három csoportom között, amely legalább akkora volt, mint amiről beszámolok. A 0,05-nél (vagy öt százaléknál) kisebb p-értéket sok tudós statisztikailag “szignifikánsnak” tartja.”A jó számológépekből kapott p érték olyan kicsi volt, hogy 0-nak jelentették. Van egy 0 százalék esély arra, hogy véletlenül ilyen nagy különbséget látnék.
de ezek csak számok, amelyek különbséget jelentenek a három csoport között. Nem mondják meg, hol a különbség. A kontrollcsoport és a 0,33:1 arány között van? Az 1:1 csoport és a 0,33: 1 csoport? Mindkettő? Egyik sem? Fogalmam sincs.
a tanuláshoz újabb tesztet kell futtatnom. Ezt a tesztet post-hoc tesztnek hívják — amely lehetővé teszi az adatok további elemzését. A Post-hoc teszteket csak akkor szabad használni, ha jelentős eredményt kell elemezni.
sokféle post-hoc teszt létezik. Tukey hatótávolsági tesztjét használtam. Összehasonlítja az összes eszközt az összes csoport között. Tehát összehasonlítja a 3:1 arányt az 1:1-vel, majd 3:1-től 0,33-1-ig, végül 1: 1-től 0,33-1-ig. Mindegyikhez a Tukey-féle tartományteszt p értéket ad.
Tukey tartománytesztem azt mutatta, hogy a 3:1 kontrollcsoport szignifikánsan különbözött az 1: 1-től (a p értéke 0,01, egy százalékos esély a különbségre). A 3:1 csoport szintén szignifikánsan különbözött a 0,33:1-től (a p értéke 0,01). De az 1:1 és a 0,33: 1 csoportok nem különböztek egymástól (amire számítani lehet, mivel mindkettő átlagosan nulla kristálynövekedést mutatott). Készítettem egy grafikont az eredményeim bemutatására.
ez a kísérlet elég világosnak tűnik: ha rock cukorkát szeretne, sok cukorra van szüksége. A szuper telített oldat elengedhetetlen, hogy a cukor kristályosodhasson a húrjára.
de mindig vannak olyan dolgok, amelyeket egy tudós jobban megtehet bármely tanulmányban. Például három csoportom volt, különböző mennyiségű cukorral a vízben. De egy másik jó kontroll — egy olyan csoport, ahol semmi sem változik-az lenne, ha egyáltalán nem lenne cukor a vízben. Legközelebb, ha cukorkát akarok csinálni magamnak, van még egy kísérletem.
anyagok listája
granulált cukor (6 zsák, egyenként 6,36 USD)
Grill nyárs (100 darab, 4,99 USD)
átlátszó műanyag poharak (100 darab, 6,17 USD)
húr (2,84 USD)
nagy edény (4 liter, 11,99 USD)
Mérőpoharak (7,46 USD)
Scotch szalag (1,99 USD)
élelmiszer-színezék (3,66 USD)
papírtörlő tekercs (0,98 USD)
nitril vagy latex kesztyű (4,24 USD)
kis digitális mérleg (11 USD.85)