ten artykuł jest jednym z serii eksperymentów mających na celu nauczenie uczniów o tym, jak nauka jest wykonywana, od generowania hipotezy przez projektowanie eksperymentu po analizę wyników za pomocą statystyk. Możesz powtórzyć kroki tutaj i porównać wyniki-lub użyć tego jako inspiracji do zaprojektowania własnego eksperymentu.
Robienie rock candy w domu wymaga tylko dwóch składników — wody i cukru. Dużo cukru, jak się dowiedziałem, kiedy przeprowadziłem eksperyment rock candy w 2018 roku (i zabrakło słodkich rzeczy). Większość przepisów zaleca stosowanie około trzy razy więcej cukru niż wody. To tyle, to marnotrawstwo. Aby zobaczyć, czy uda mi się uciec z mniej, przeprowadziłem kolejny eksperyment.
Spoiler: mniej cukru to nie ODPOWIEDŹ.
w moim poprzednim eksperymencie pokazałem, że kryształy nasion są bardzo ważne dla tworzenia rock candy. Umieszczenie kilku ziaren cukru na patyku lub sznurku sprzyja tworzeniu większych kryształów. To przyspiesza produkcję słodyczy.
obliczyłem, że aby zrobić wystarczająco dużo cukierków do tego eksperymentu, będę musiał wypełnić 52 plastikowe kubki roztworem cukru. Ale przepis na cukierki używał więcej cukru niż się spodziewałem i szybko wybiegłem. To dlatego, że przepis wymagał jednego kilograma (8 szklanek) cukru na każde 300 gramów (2,7 szklanki) wody. To stosunek cukru do wody 3:1. W końcu musiałem przeprowadzić eksperyment z tylko 18 plastikowymi kubkami.
w końcu wszystko się udało i udało mi się przetestować moją hipotezę. Ale zastanawiałem się, czy mógłbym użyć mniej cukru i więcej wody. Aby się dowiedzieć, kolejny eksperyment był w porządku.
Super-nasycony cukier
Robienie rock candy zaczyna się od rozpuszczenia cukru w wodzie. Stosunek cukru do wody w przepisie jest jednak tak wysoki,że cukier nie rozpuści się bez pomocy. Bez względu na to, ile mieszam, jest za dużo cukru.
to zmienia się, gdy temperatura wody wzrasta. W miarę nagrzewania się wody poszczególne cząsteczki wody poruszają się coraz szybciej. Te szybkie cząsteczki mogą łatwiej rozbić kryształy cukru, które zostały wrzucone do wody. Wkrótce cały cukier rozpuszcza się w wodzie i woda staje się czysta.
To rozwiązanie nie jest jednak stabilne. To super-nasycone rozwiązanie. Woda zawiera więcej cukru, niż może utrzymać w temperaturze pokojowej. Gdy woda stygnie, cukier powoli wytrąca się-ponownie staje się solidny. Jeśli kryształy cukru mają coś do przymocowania – na przykład patyk lub kawałek sznurka z odrobiną cukru już na nim-będą miały tendencję do przymocowania tam. Z biegiem czasu, tyle kryształów cukru przylegają do siebie, aby kawałek rock candy.
ale jak super nasycone musi być moje rozwiązanie, żeby zrobić rock candy? Aby to rozgryźć, zacznę od stwierdzenia, które mogę przetestować-hipotezy. Moja hipoteza jest taka, że używając niższego stosunku cukru do wody w moim roztworze będzie produkować mniej rock candy niż mieszanina o wysokim stężeniu cukru.
gotowanie cukierków
aby przetestować tę hipotezę, zrobiłem trzy partie rock candy. Pierwsza partia to moja kontrola-oryginalny przepis na rock candy z proporcją 3: 1 cukru do wody, super nasyconym roztworem. W drugiej partii zastosowano stosunek cukru do wody 1: 1. Ten roztwór jest nasycony-cukier przechodzi do roztworu z mieszaniem i może trochę ciepła. Trzecia grupa ma roztwór o stosunku cukru do wody 0,33:1. Roztwór ten nie jest nasycony; cukier rozpuszcza się w wodzie w temperaturze pokojowej.
nie mogę zrobić tylko jednego kawałka rock candy dla każdego warunku testu. Muszę powtórzyć mój eksperyment i zrobić wystarczająco dużo cukierków, aby wykryć różnicę między tymi trzema grupami. Dla tego eksperymentu oznaczało to gotowanie 12 partii rock candy dla każdej grupy.
robiłem już rock candy do eksperymentu. Tym razem wprowadziłem kilka zmian:
- odmierz i wytnij 36 czystych kawałków Sznurka. Upewnij się, że jest wystarczająco dużo sznurka, aby zawiązać wokół patyczka nad kubkiem, pozostawiając sznurek, aby zwisał w roztworze cukru.
- zanurz jeden koniec sznurka 12,7 centymetra (5 cali) w filiżance czystej wody, a następnie zwinąć go w małą stertę cukru. Odstawić do wyschnięcia.
- Zestaw 36 plastikowych lub szklanych kubków.
- w dużym garnku zagotuj wodę i cukier, mieszając. Miej oko na swoją mieszankę. Kiedy woda dojdzie do wrzenia, cukier powinien wpaść do roztworu, a woda stanie się przezroczysta.
- aby uzyskać roztwór 3:1, wymieszaj 512 gramów (4 szklanki) wody i 1,5 kilograma (12 szklanek) cukru. Zrobiłem dwie partie, które skończyło się użyciem około 8 szklanek wody i 24 szklanek cukru w sumie.
- w przypadku roztworu 1: 1 Dodaj równe ilości cukru i wody do garnka i zagotuj. Na 12 szklanek wody potrzeba 12 szklanek cukru.
- w przypadku roztworu 0,33: 1 powinno być dużo 15 szklanek wody i 5 szklanek cukru.
- gdy roztwór jest przezroczysty, dodaj barwnik spożywczy, aby uzyskać pożądany kolor. Użyłem czerwonego dla mojego roztworu 3:1, Zielonego dla mojego roztworu 1:1 i Niebieskiego dla mojego roztworu 0,33: 1.
- jeśli roztwór jest gorący, możesz odczekać kilka minut, zanim wlej go do kubków. Jeśli kubki są cienkie, tanie plastikowe, gorąca ciecz może sprawić, że stopią się i zwisają. (To mi się przytrafiło; moje czerwone kubki były smutne i obwisłe na dole.)
- za pomocą miarki wlej do każdej filiżanki 300 mililitrów (10 uncji płynu, nieco więcej niż filiżanka) roztworu. Może być konieczne wykonanie kolejnej partii lub dwóch z każdego roztworu, aż do napełnienia wszystkich 12 kubków w każdej grupie.
- zważyć każdy ciąg przed zanurzeniem go w roztworze. Użyj skali, aby znaleźć masę każdego sznurka w gramach (każdy z moich ważył około jednego grama). Po odnotowaniu masy, zanurz ostrożnie kij w filiżance roztworu cukru, a następnie zabezpiecz go na miejscu. Upewnij się, że sznurek nie dotyka dna lub boków kubka. Każdy sznurek przywiązałem do drewnianego szpikulca umieszczonego na kilku filiżankach.
- Umieść wszystkie kubki w chłodnym, suchym miejscu, gdzie nie będą przeszkadzać.
- czekaj. Jak długo? Zaczniesz widzieć kryształy cukru po około dniu. Ale jeśli chcesz słodycze do jedzenia, będziesz chciał poczekać co najmniej pięć dni.
pod koniec eksperymentu ponownie wyjmij skalę. Wyciągnij każdy sznurek z kubka, upewnij się, że nie kapie i zważyć go po raz drugi. Powinieneś to zjeść? Może nie.
masz swoje dane i je też?
aby dowiedzieć się, ile rock candy zrobiłeś w każdej grupie, odejmij wagę każdego sznurka na początku eksperymentu od wagi Sznurka pokrytego słodyczami. To powie Ci, ile gramów kryształów cukru urosło.
pod koniec mojego pięciodniowego eksperymentu stworzyłem arkusz kalkulacyjny z moimi wynikami, z każdą grupą otrzymującą własną kolumnę. Na dole obliczyłem średnią-średni wzrost kryształów-dla każdej grupy.
Moja super-nasycona grupa kontrolna wyrosła średnio 10,5 grama słodyczy. Cukierki wyglądały na różowe i smaczne. Ale moje inne grupy rosły średnio-zero gramów cukierków. Wyglądały jak rozmoczone niebieskie lub zielone kawałki sznurka. Niektóre z filiżanek wyrosły nawet z pleśni. (Gross. Nie jedz tego.)
czy te trzy grupy różniły się od siebie? Z pewnością wydawało się, że grupa super-nasycona jest inna. Ale dla pewności, musiałem przeprowadzić kilka statystyk-testów, które zinterpretują moje wyniki.
pierwszy test, który zrobiłem, to analiza wariancji, czyli ANOVA. Test ten służy do porównania średnich trzech lub więcej grup. Istnieją darmowe kalkulatory, które przeprowadzą ten test dla Ciebie online. Użyłem tego w dobrych kalkulatorach.
ten test daje dwa wyniki, f-stat i wartość P. F-stat to liczba, która mówi, czy trzy lub więcej grup różnią się od siebie. Im wyższa Statystyka F, tym bardziej prawdopodobne jest, że grupy różnią się od siebie w jakiś sposób. Mój F-stat wynosił 42,8. To bardzo duża różnica między tymi trzema grupami.
wartość p jest miarą prawdopodobieństwa. Mierzy ono, jak bardzo prawdopodobne jest, że sam przez przypadek odkryję różnice między moimi trzema grupami, które były co najmniej tak duże, jak ta, o której mówię. Wartość p mniejsza niż 0,05 (lub pięć procent) jest uważana przez wielu naukowców za statystycznie „istotną.”Wartość p, którą otrzymałem z dobrych kalkulatorów, była tak mała, że podawano ją jako 0. Jest 0% szans, że przez przypadek zobaczę tak dużą różnicę.
ale to tylko liczby, które informują o różnicy między tymi trzema grupami. Nie mówią mi, gdzie jest różnica. Czy pomiędzy grupą kontrolną a grupą 0,33:1? Grupa 1:1 i grupa 0.33: 1? Jedno i drugie? Żadnego? Nie mam pojęcia.
aby się nauczyć, muszę przeprowadzić kolejny test. Test ten nazywa się testem post-hoc-takim, który pozwala mi dalej analizować moje dane. Testy Post-hoc powinny być używane tylko wtedy, gdy masz znaczący wynik do analizy.
istnieje wiele rodzajów testów post-hoc. Użyłem testu zasięgu Tukey ’ a. Porównuje wszystkie środki między wszystkimi grupami. Porównamy stosunek 3: 1 do 1: 1, Potem 3:1 do 0,33 do 1, a na końcu 1: 1 do 0,33 do 1. Dla każdego test zakresu tukeya daje wartość P.
mój test zasięgu tukeya wykazał, że grupa kontrolna 3:1 znacznie różniła się od 1: 1 (wartość p 0,01, jeden procent szansy na różnicę). Grupa 3:1 również znacząco różniła się od grupy 0,33: 1 (wartość p 0,01). Ale grupy 1: 1 i 0,33: 1 nie różniły się od siebie (czego można się spodziewać, ponieważ obie z nich uśredniały zerowy wzrost kryształów). Zrobiłem wykres, aby pokazać moje wyniki.
ten eksperyment wydaje się dość jasny: jeśli chcesz rock candy, potrzebujesz dużo cukru. Super-nasycony roztwór jest koniecznością, aby cukier mógł krystalizować się na sznurku.
ale zawsze są rzeczy, które naukowiec może zrobić lepiej w każdym badaniu. Na przykład, miałem trzy grupy z różnymi ilościami cukru w wodzie. Ale inna dobra kontrola-grupa, w której nic się nie zmienia – byłaby taka, w której w ogóle nie ma cukru w wodzie. Następnym razem, gdy chcę zrobić sobie cukierka, mam kolejny eksperyment do zrobienia.
Lista materiałów
cukier granulowany (6 torebek, $6.36 każda)
szaszłyki grillowe (opakowanie 100, $4.99)
przezroczyste plastikowe kubki (opakowanie 100, $6.17)
Sznurek ($2.84)
duży garnek (4 quarts, $11.99)
Miarka kubki ($7.46)
Taśma Klejąca ($1.99)
barwnik spożywczy ($3.66)
rolka ręczników papierowych ($0.98)
rękawice nitrylowe lub lateksowe ($4.24)
mała skala cyfrowa ($11.85)