denne artikkelen er en Av en Serie Eksperimenter som er ment å lære elevene om hvordan vitenskap er gjort, fra å generere en hypotese for å designe et eksperiment for å analysere resultatene med statistikk. Du kan gjenta trinnene her og sammenligne resultatene dine — eller bruk dette som inspirasjon til å designe ditt eget eksperiment.
Å Lage rock candy hjemme krever bare to ingredienser-vann og sukker. Mye sukker, som jeg fant ut da jeg kjørte et rock candy-eksperiment i 2018 (og løp ut av de søte greiene). De fleste oppskrifter anbefaler å bruke omtrent tre ganger så mye sukker som vann. Det er så mye, det virker som bortkastet. For å se om jeg kunne komme unna med mindre, kjørte jeg et annet eksperiment.
Spoiler: Mindre sukker er ikke svaret.
i mitt forrige eksperiment viste jeg at frøkrystaller er svært viktige for å lage rock candy. Å sette noen sukkerkorn på en pinne eller streng fremmer dannelsen av større krystaller. Dette øker candy-making.
jeg hadde beregnet at for å lage nok rock candy for det eksperimentet, måtte jeg fylle 52 plastkopper med en sukkerløsning. Men candy oppskriften brukte mer sukker enn jeg hadde forventet, og jeg løp raskt ut. Det er fordi oppskriften krevde ett kilo (8 kopper) sukker for hver 300 gram (2,7 kopper) vann. Det er et sukker-til-vann-forhold på 3:1. Til slutt måtte jeg kjøre eksperimentet med bare 18 plastikkkopper.
Det hele fungerte til slutt, og jeg var i stand til å teste hypotesen min. Men jeg lurte på om jeg kunne ha brukt mindre sukker og mer vann. For å finne ut, var et annet eksperiment i orden.
supermettet sukker
Å Lage rock candy starter med å oppløse sukker i vann. Oppskriftens forhold mellom sukker og vann er så høyt at sukkeret ikke vil oppløse uten hjelp. Uansett hvor mye jeg rører, er det bare for mye sukker.
som endres når vanntemperaturen øker. Når vannet varmes opp, beveger individuelle vannmolekyler seg raskere og raskere. De raske molekylene kan lettere bryte opp sukkerkrystaller som hadde blitt dumpet i vannet. Snart oppløses alt sukker i vannet og vannet blir klart.
denne løsningen er imidlertid ikke stabil. Det er en supermettet løsning. Vannet inneholder mer sukker enn det kan holde ved romtemperatur. Når vannet avkjøles, faller sukkeret sakte ut-blir fast igjen. Hvis sukkerkrystallene har noe å feste til — for eksempel en pinne eller et stykke snor med litt sukker allerede på det-vil de ha en tendens til å feste det. Over tid klamrer nok sukkerkrystaller sammen for å lage en del av rock candy.
men hvordan supermettet må løsningen min være å lage rock candy? For å finne ut dette, begynner jeg med en uttalelse som jeg kan teste-en hypotese. Min hypotese er at bruk av et lavere forhold mellom sukker og vann i min løsning vil produsere mindre rock candy enn en blanding med høy sukker konsentrasjon.
Cooking candy
for å teste denne hypotesen lagde jeg tre batcher rock candy. Den første batchen er min kontroll — den originale rock candy oppskriften med et 3:1 forhold mellom sukker og vann, en supermettet løsning. En annen batch brukte et sukker-til vannforhold på 1:1. Den løsningen er mettet-sukkeret går i oppløsning med omrøring og kanskje litt varme. Den tredje gruppen har en løsning med et sukker-til-vann-forhold på 0,33: 1. Denne løsningen er ikke mettet; sukkeret oppløses i vannet ved romtemperatur.
jeg kan ikke lage bare ett stykke rock candy for hver testtilstand. Jeg må gjenta eksperimentet mitt og lage nok rock candy for å oppdage en forskjell mellom de tre gruppene. For dette eksperimentet betydde det å lage 12 batcher rock candy for hver gruppe.
jeg har laget rock candy for et eksperiment før. Denne gangen gjorde jeg noen endringer:
- Mål ut og kutt 36 rene stykker av streng. Pass på at det er nok streng til å knytte rundt en pinne over koppen, mens du fortsatt forlater strengen for å dingle i sukkeroppløsningen.
- Dypp den ene enden av strengen 12,7 centimeter (5 tommer) i en kopp rent vann, og rull det deretter i en liten haug med sukker. Sett til side for å tørke.
- Sett ut 36 plast-eller glasskopper.
- i en stor gryte, bring vann og sukker til koking under omrøring. Hold øye med blandingen din. Når vannet kommer til å koke, bør sukkeret komme inn i løsningen og vannet blir klart.
- for din 3:1-løsning, bland 512 gram (4 kopper) vann og 1,5 kilo (12 kopper) sukker. Jeg laget to satser, som endte med å bruke ca 8 kopper vann og 24 kopper sukker totalt.
- For 1: 1-løsningen, tilsett like mengder sukker og vann til potten og kok opp. Så for 12 kopper vann trenger du 12 kopper sukker.
- for 0,33: 1-løsningen bør 15 kopper vann og 5 kopper sukker være rikelig.
- når løsningen er klar, legg til matfarging for å få en ønsket farge. Jeg brukte rød for min 3: 1 løsning, grønn for min 1: 1 løsning og blå for min 0,33: 1 løsning.
- hvis løsningen er varm, kan det være lurt å vente noen minutter før du heller den i koppene. Hvis koppene er tynne, billig plast, kan den varme væsken få dem til å smelte og sagke. (Dette skjedde med meg; mine røde kopper var trist og saggy på bunnen.)
- Ved hjelp av et målebeger, hell 300 milliliter (10 væske unser, litt mer enn en kopp) av løsningen i hver kopp. Du må kanskje lage en annen batch eller to av hver løsning til du har nok til å fylle alle 12 kopper i hver gruppe.
- Vei hver streng før du dypper den inn i løsningen. Bruk en skala for å finne massen av hver streng i gram (hver av mine veide omtrent ett gram). Når du har notert massen, dypp staven forsiktig inn i en kopp sukkeroppløsningen, og fest den på plass. Pass på at strengen ikke berører bunnen eller sidene av koppen. Jeg bundet hver streng til en trespyd plassert over flere kopper.
- Sett alle koppene på et kjølig, tørt sted hvor de ikke vil bli forstyrret.
- Vent. Hvor lenge? Du vil begynne å se sukkerkrystaller etter en dag eller så. Men hvis du vil ha godteri å spise, vil du vente minst fem dager.
på slutten av forsøket, kom ut skalaen igjen. Trekk hver streng ut av koppen, sørg for at den ikke drikker, og veie den en gang til. Skal du spise det? Kanskje ikke.
Har du dataene dine og spiser det også?
for å finne ut hvor mye rock candy du har laget i hver gruppe, trekker du vekten av hver streng i begynnelsen av forsøket fra vekten av den candy-belagte strengen. Det vil fortelle deg hvor mange gram sukkerkrystaller som hadde vokst.
på slutten av mitt fem-dagers eksperiment opprettet jeg et regneark med resultatene mine, med hver gruppe får sin egen kolonne. På bunnen beregnet jeg gjennomsnittet-gjennomsnittlig krystallvekst – for hver gruppe.
min supermettede kontrollgruppe vokste 10,5 gram godteri i gjennomsnitt. Candy så rosa og velsmakende ut. Men mine andre grupper vokste i gjennomsnitt-null gram godteri. De så ut som soggy blå eller grønne stykker av streng. Noen av koppene vokste til og med mugg. (Brutto. Ikke spis dem.)
var de tre gruppene forskjellige fra hverandre? Det virket som om den supermettede gruppen var annerledes. Men for å være sikker, jeg trengte å kjøre noen statistikk-tester som vil tolke mine funn.
den første testen jeg gjorde var en analyse av varians, ELLER ANOVA. Denne testen brukes til å sammenligne midler fra tre eller flere grupper. Det er gratis kalkulatorer som vil kjøre denne testen for deg på nettet. Jeg brukte Den På Gode Kalkulatorer.
denne testen gir deg to utfall, En F-stat og en p-verdi. En F-stat er et tall som forteller deg om tre eller flere grupper er forskjellige fra hverandre. Jo høyere F-stat, jo mer sannsynlig er det at gruppene er forskjellige fra hverandre på en eller annen måte. Min F-stat var 42,8. Det er veldig stort; det er stor forskjell mellom de tre gruppene.
p-verdien er et mål på sannsynlighet. Det måler hvor sannsynlig det er at jeg ved et uhell ville finne en forskjell mellom mine tre grupper som var minst like stor som den jeg rapporterer. En p-verdi på mindre enn 0,05 (eller fem prosent) anses av mange forskere å være statistisk «signifikant».»P-verdien jeg fikk Fra Gode Kalkulatorer var så liten at den ble rapportert som 0. Det er en 0 prosent sjanse for at jeg ville se en forskjell så stor ved et uhell.
men disse er bare tall som rapporterer en forskjell mellom de tre gruppene. De forteller meg ikke hvor forskjellen er. Er det mellom kontrollgruppen og 0,33: 1-gruppen? 1: 1-gruppen og 0,33: 1-gruppen? Begge deler? Ingen av delene? Jeg aner ikke.
for å lære, må jeg kjøre en annen test. Denne testen kalles en post-hoc test — en som lar meg analysere dataene mine videre. Post-hoc tester bør bare brukes når du har et betydelig resultat å analysere.
det finnes mange typer post-hoc tester. Jeg brukte tukey ‘ s range test. Det vil sammenligne alle midler mellom alle gruppene. Så det vil sammenligne 3: 1-forholdet mot 1: 1, deretter 3:1 til 0,33 til 1, og til slutt 1:1 til 0,33 til 1. For hver gir tukey ‘ s range test en p-verdi.
My Tukey ‘ s range test viste at 3:1 kontrollgruppen var signifikant forskjellig fra 1:1 (en p-verdi på 0,01, en prosent sjanse for forskjell). 3: 1-gruppen var også signifikant forskjellig fra 0,33: 1 (en p-verdi på 0,01). Men 1:1 og 0,33:1-gruppene var ikke forskjellige fra hverandre (som du forventer, siden begge var i gjennomsnitt null krystallvekst). Jeg laget en graf for å vise resultatene mine.
dette eksperimentet virker ganske klart: hvis du vil ha rock candy, trenger du mye sukker. Den supermettede løsningen er et must, slik at sukkeret kan krystallisere ut på strengen din.
Men det er alltid ting som en forsker kan gjøre bedre i enhver studie. For eksempel hadde jeg tre grupper med forskjellige mengder sukker i vannet. Men en annen god kontroll-en gruppe der ingenting endres-ville være en uten sukker i vannet i det hele tatt. Neste gang jeg vil lage meg litt godteri, har jeg et annet eksperiment å gjøre.
Materialliste
Granulert sukker (6 poser, $6,36 hver)
Grillspyd (pakke med 100, $4,99)
Klare plastkopper (pakke med 100, $6,17)
Streng ($2,84)
Stor gryte (4 quarts, $11,99)
Målekopper ($7.46)
Scotch Tape ($1.99)
matfarging ($3.66)
papirhåndklær ($0.98)
nitril-eller latexhansker ($4.24)
liten digital skala ($11.85)