この記事は、仮説の生成から実験の設計、統計による結果の分析まで、科学がどのように行われているかを学生に教えるための一連の実験の一つである。 ここで手順を繰り返して結果を比較したり、これをインスピレーションとして使用して独自の実験を設計することができます。
自宅でロックキャンディーを作るには、水と砂糖の二つの成分だけが必要です。 私が2018年にロックキャンディの実験をしたときに知ったように、たくさんの砂糖がありました（そして甘いものが不足しました）。 ほとんどのレシピでは、水の約3倍の砂糖を使用することをお勧めします。 それはそんなに、それは無駄のように思えます。 私は少ないと逃げることができるかどうかを確認するために、私は別の実験を実行しました。
ネタバレ：砂糖が少ないのは答えではありません。
前回の実験では、種の結晶がロックキャンディを作るために非常に重要であることを示しました。 棒や紐の上に砂糖のいくつかの穀物を置くことは、より大きな結晶の形成を促進する。 これは、お菓子作りをスピードアップします。
私はその実験のために十分なロックキャンディーを作るためには、52個のプラスチックカップに砂糖溶液を充填する必要があると計算していました。 しかし、キャンディのレシピは、私が期待していたよりも多くの砂糖を使用し、私はすぐに レシピは、水のすべての300グラム（2.7カップ）のための砂糖の一キログラム（8カップ）を必要としたためです。 これは砂糖と水の比率が3：1です。 結局、私は18個のプラスチック製のカップだけで実験を実行しなければなりませんでした。
それはすべて最終的にうまくいき、私は私の仮説をテストすることができました。 しかし、私はより少ない砂糖とより多くの水を使用している可能性があるかどうか疑問に思いました。 調べるために、別の実験が順番にありました。
超飽和糖
ロックキャンディを作るには、砂糖を水に溶かすことから始まります。 しかし、レシピの砂糖と水の比率は非常に高いので、砂糖は助けなしには溶けません。 いくらかき混ぜても、砂糖が多すぎます。
水温が上がると変化します。 水が加熱されると、個々の水分子はより速く、より速く移動します。 これらの迅速な分子は、より簡単に水に投棄されていた砂糖の結晶を分割することができます。 すぐに、すべての砂糖は水に溶け、水は透明になります。
しかし、この解決策は安定していません。 それは超飽和溶液です。 水には室温で保持できるよりも多くの砂糖が含まれています。 水が冷えると、砂糖はゆっくりと沈殿し、再び固体になります。 砂糖の結晶に何かを付けている場合—棒や少しの砂糖が入った紐など—彼らはそこに付ける傾向があります。 時間が経つにつれて、十分な砂糖の結晶は、岩のお菓子の塊を作るために一緒にしがみつく。
しかし、私の解決策はロックキャンディを作るためにどのように超飽和する必要がありますか？ これを理解するために、私は私がテストできる声明から始めます—仮説。 私の仮説は、私の溶液中の水に対する砂糖の比率が低いと、砂糖濃度の高い混合物よりも少ないロックキャンディが生成されるということです。
クッキングキャンディー
この仮説をテストするために、私はロックキャンディの三つのバッチを作りました。 最初のバッチは私のコントロールです—水に対する砂糖の3：1の比率、超飽和溶液を持つオリジナルのロックキャンディレシピ。 第二のバッチは、1：1の砂糖と水の比を使用しました。 その溶液は飽和しています—砂糖は攪拌しながら溶液に入り、多分少し熱を加えます。 第三のグループは、0.33：1の糖対水比を有する溶液を有する。 この溶液は飽和しておらず、砂糖は室温で水に溶解する。
テスト条件ごとにロックキャンディを一つだけ作ることはできません。 私は実験を繰り返し、3つのグループの違いを検出するのに十分なロックキャンディーを作る必要があります。 この実験のために、それは各グループのためのロックキャンディの12バッチを調理することを意味しました。
私は以前実験のためにロックキャンディを作ったことがあります。 今回、私はいくつかの変更を加えました:
- 測定し、ひもの36のきれいな部分を切って下さい。 まだ砂糖の解決にぶら下がるためにひもを残している間コップの上の棒のまわりで結ぶ十分なひもがあることを確かめなさい。
- 弦の一端を12.7センチメートル（5インチ）のきれいな水に浸し、小さな砂糖の山に転がします。 乾燥させるために脇に置いてください。
- 36個のプラスチック製またはガラス製のカップをセットします。
- 大きな鍋の中で、水と砂糖を沸騰させてかき混ぜる。 あなたのミックスに目を離さない。 水が沸騰すると、砂糖が溶液にポップする必要があり、水が明確になります。
- あなたの3:1溶液のために、水512グラム（4カップ）と砂糖1.5キロ（12カップ）を混ぜます。 私は水の約8カップと合計で砂糖の24カップを使用してしまった二つのバッチを作りました。
- 1：1溶液の場合は、鍋に等量の砂糖と水を加えて沸騰させます。 だから、水の12カップのために、あなたは砂糖の12カップが必要になります。
- 0.33:1溶液の場合、15カップの水と5カップの砂糖がたくさんあるはずです。
- 解決策が明確になったら、所望の色を得るために食品着色料を追加します。 私は私の3：1の解決策に赤、私の1：1の解決策に緑、私の0.33：1の解決策に青を使用しました。
- 溶液が熱い場合は、カップに注ぐ前に数分待つことをお勧めします。 コップが薄く、安いプラスチックなら、熱い液体はそれらを溶かし、弛ませるかもしれません。 (これは私に起こった;私の赤いコップは底で悲しく、たるんだ。)
- 計量カップを使用して、各カップに300ミリリットル（10液量オンス、カップより少し）の溶液を注ぎます。 あなたは、各グループ内のすべての12カップを埋めるのに十分なまで、各溶液の別のバッチまたは二つを作る必要がある場合があります。
- 溶液に浸す前に、各文字列の重量を量ります。 スケールを使用して、各文字列の質量をグラム単位で見つけます（私のそれぞれは約1グラムの重さです）。 あなたが質量を指摘したら、砂糖溶液のカップに慎重にスティックを浸し、所定の位置に固定します。 ひもがコップの底か側面に触れないことを確かめて下さい。 私はいくつかのカップに置かれた木製の串にそれぞれの文字列を結びました。
- すべてのカップを涼しく乾燥した場所に置き、邪魔されないようにしてください。
- どのくらい? あなたは一日かそこら後に砂糖の結晶が形成されるのを見始めるでしょう。 しかし、あなたはお菓子を食べたい場合は、少なくとも五日待ちたいと思うでしょう。
実験の終わりに、再びスケールを出してください。 そのカップから各文字列を引き出し、それが滴っていないことを確認し、それを二度目の重量を量ります。 あなたはそれを食べるべきですか？ そうじゃないかもしれない
あなたのデータを持っているし、あまりにもそれを食べますか？
各グループでどのくらいのロックキャンディーを作ったかを調べるには、実験の開始時の各弦の重さをキャンディーコーティングされた弦の重さから それは砂糖の結晶のどのように多くのグラムが成長していたかを教えてくれます。
私の5日間の実験の終わりに、私は私の結果のスプレッドシートを作成し、各グループが独自の列を取得しました。 一番下に、各グループの平均—平均結晶成長—を計算しました。
私の超飽和対照群は、平均して10.5グラムのキャンディを増加させました。 お菓子はピンクでおいしそうでした。 しかし、私の他のグループは平均して成長しました—キャンディーのゼログラム。 彼らはねっとりとした青や緑の文字列のように見えました。 カップの中には、カビが生えていたものもありました。 （グロス。 食べないで)
三つのグループはお互いに異なっていましたか？ それは確かに超飽和グループが異なっていたように見えました。 しかし、確かに、私は私の調査結果を解釈するいくつかの統計テストを実行する必要がありました。私が最初に行ったテストは分散分析、つまりANOVAでした。 この検定は、3つ以上のグループの平均を比較するために使用されます。 オンラインでこのテストを実行する無料の電卓があります。 私は良い電卓で一つを使用しました。
この検定では、F-statとp値の2つの結果が得られます。 F-statは、3つ以上のグループが互いに異なるかどうかを示す数値です。 F-statが高いほど、グループが何らかの形で互いに異なる可能性が高くなります。 私のF-statは42.8でした。 それは非常に大きいです;これらの三つのグループの間に大きな違いがあります。
p値は確率の尺度です。 それは、私が報告したものと少なくとも同じくらい大きかった私の三つのグループ間の違いを偶然だけで見つける可能性がどれほど高いかを測定し 0.05（または5％）未満のp値は、多くの科学者によって統計的に「有意」であると考えられています。「私が良い計算機から得たp値は非常に小さかったので、0として報告されました。 私は偶然にこの大きな違いを見ることになる0パーセントのチャンスがあります。
しかし、これらは3つのグループの違いを報告する単なる数字です。 彼らは違いがどこにあるか教えてくれません。 対照群と0.33：1群の間ですか？ 1:1グループと0.33:1グループ？ 両方？ どちらも？ 見当もつかない
学習するには、別のテストを実行する必要があります。 このテストはポストホックテストと呼ばれ、データをさらに分析することができます。 ポストホックテストは、分析する重要な結果がある場合にのみ使用する必要があります。
ポストホックテストには多くの種類があります。 私はTukeyの範囲テストを使用しました。 これは、すべてのグループ間のすべての手段を比較します。 したがって、3：1の比率を1：1と比較し、次に3：1から0.33から1、最後に1：1から0.33から1を比較します。 それぞれについて、Tukeyの範囲検定はp値を与えます。
私のTukeyの範囲テストでは、3：1対照群は1：1と有意に異なっていたことが示されました（p値は0.01、差の1％の可能性）。 3:1群も0.33:1（p値0.01）と有意に異なっていた。 しかし、1：1と0.33：1のグループはお互いに違いはありませんでした（両方とも結晶成長が平均化されていないので、あなたが期待するでしょう）。 結果を示すグラフを作成しました。
この実験はかなり明確なようです：あなたはロックキャンディをしたい場合は、砂糖をたくさん必要とします。 超飽和溶液は、砂糖があなたの弦の上に結晶化することができるようにする必要があります。
しかし、科学者がどんな研究でもより良いことができることは常にあります。 例えば、私は水の中に砂糖の量が異なる3つのグループを持っていました。 しかし、別の良いコントロール—何も変わらないグループ—は、水の中に砂糖が全くないものです。 私は自分自身にいくつかのお菓子を作りたい次の時間は、私が行うには別の実験を持っています。
素材一覧
グラニュー糖(6袋$6.36毎）＜5185>串焼きグリル(パック100,$4.99)
透明プラスチック製カップ（パック100,$6.17)
の文字列($2.84)
大鍋(4石英、$11.99)
計測器($7.46)
スコッチテープ($1.99)
着色料($3.66)
ロール紙タオル($0.98)
ニトリルやラテックス手袋($4.24)
小型デジタルスケール($11.85)