acest articol este unul dintr-o serie de experimente menite să-i învețe pe elevi despre cum se face știința, de la generarea unei ipoteze la proiectarea unui experiment la analiza rezultatelor cu statistici. Puteți repeta pașii aici și puteți compara rezultatele — sau puteți folosi acest lucru ca inspirație pentru a vă proiecta propriul experiment.
a face bomboane rock acasă necesită doar două ingrediente-apă și zahăr. O mulțime de zahăr, așa cum am aflat când am condus un experiment de bomboane rock în 2018 (și am rămas fără chestii dulci). Majoritatea rețetelor recomandă utilizarea de aproximativ trei ori mai mult zahăr decât apa. Asta e atât de mult, se pare ca o risipă. Pentru a vedea dacă aș putea scăpa cu mai puțin, am efectuat un alt experiment.
Spoiler: mai puțin zahăr nu este răspunsul.
în experimentul meu anterior, am arătat că cristalele de semințe sunt foarte importante pentru crearea bomboanelor rock. Punerea câtorva boabe de zahăr pe un băț sau șir promovează formarea de cristale mai mari. Acest lucru accelerează fabricarea bomboanelor.
am calculat că pentru a face suficiente bomboane rock pentru acel experiment, ar trebui să umplu 52 de căni de plastic cu o soluție de zahăr. Dar rețeta de bomboane folosea mai mult zahăr decât mă așteptam și am fugit repede. Asta pentru că rețeta a necesitat un kilogram (8 căni) de zahăr pentru fiecare 300 de grame (2,7 căni) de apă. Acesta este un raport zahăr-apă de 3: 1. În cele din urmă, a trebuit să-mi rulez experimentul cu doar 18 căni de plastic.
totul a funcționat până la urmă și am reușit să-mi testez ipoteza. Dar m-am întrebat dacă aș fi putut folosi mai puțin zahăr și mai multă apă. Pentru a afla, un alt experiment a fost în ordine.
zahăr super-saturat
fabricarea bomboanelor rock începe cu dizolvarea zahărului în apă. Raportul rețetă de zahăr la apă este atât de mare, deși, că zahărul nu se va dizolva fără ajutor. Indiferent cât de mult amestec, este prea mult zahăr.
care se schimbă atunci când temperatura apei crește. Pe măsură ce apa se încălzește, moleculele individuale de apă se mișcă din ce în ce mai repede. Aceste molecule rapide pot rupe mai ușor cristalele de zahăr care au fost aruncate în apă. În curând, tot zahărul se dizolvă în apă și apa devine limpede.
această soluție nu este stabilă. Este o soluție super-saturată. Apa conține mai mult zahăr decât poate ține la temperatura camerei. Pe măsură ce apa se răcește, zahărul precipită încet — devenind din nou solid. Dacă cristalele de zahăr au ceva de atașat — cum ar fi un băț sau o bucată de sfoară cu puțin zahăr deja pe el — vor tinde să se atașeze acolo. De-a lungul timpului, suficiente cristale de zahăr se agață împreună pentru a face o bucată de bomboane rock.
dar cât de super-saturată trebuie să fie soluția mea pentru a face bomboane rock? Pentru a afla acest lucru, voi începe cu o afirmație pe care o pot testa — o ipoteză. Ipoteza mea este că utilizarea unui raport mai mic de zahăr la apă în soluția mea va produce mai puține bomboane rock decât un amestec cu o concentrație mare de zahăr.
bomboane de gătit
pentru a testa această ipoteză, am făcut trei loturi de bomboane rock. Primul lot este controlul meu-Rețeta originală de bomboane rock cu un raport 3:1 de zahăr la apă, o soluție super-saturată. Un al doilea lot a folosit un raport zahăr-apă de 1:1. Această soluție este saturată — zahărul intră în soluție cu agitare și poate puțină căldură. Al treilea grup are o soluție cu un raport zahăr-apă de 0,33:1. Această soluție nu este saturată; zahărul se dizolvă în apă la temperatura camerei.
nu pot face o singură bucată de bomboane rock pentru fiecare condiție de testare. Trebuie să-mi repet experimentul și să fac destule bomboane pentru a detecta o diferență între cele trei grupuri. Pentru acest experiment, asta a însemnat gătirea a 12 loturi de bomboane rock pentru fiecare grup.
am făcut bomboane rock pentru un experiment înainte. De data aceasta, am făcut câteva modificări:
- măsurați și tăiați 36 de bucăți curate de sfoară. Asigurați-vă că există suficientă sfoară pentru a lega în jurul unui băț deasupra cupei, lăsând totuși sfoara să se încurce în soluția de zahăr.
- scufundați un capăt al șirului de 12,7 centimetri (5 inci) într-o ceașcă de apă curată, apoi rotiți-l într-o grămadă mică de zahăr. Puneți deoparte să se usuce.
- setați 36 de pahare din plastic sau din sticlă.
- într-o oală mare, aduceți apa și zahărul la fierbere, amestecând. Fii cu ochii pe mix. Când apa ajunge la fierbere, zahărul ar trebui să apară în soluție și apa va deveni limpede.
- pentru soluția 3:1, amestecați 512 grame (4 căni) de apă și 1,5 kilograme (12 căni) de zahăr. Am făcut două loturi, care au ajuns să folosească aproximativ 8 căni de apă și 24 de căni de zahăr în total.
- pentru soluția 1: 1, adăugați cantități egale de zahăr și apă în oală și aduceți la fierbere. Deci, pentru 12 căni de apă, ai avea nevoie de 12 căni de zahăr.
- pentru soluția de 0,33: 1, 15 căni de apă și 5 căni de zahăr ar trebui să fie o mulțime.
- odată ce soluția este clară, adăugați colorant alimentar pentru a obține culoarea dorită. Am folosit roșu pentru soluția mea 3:1, Verde pentru soluția mea 1:1 și albastru pentru soluția mea 0.33: 1.
- dacă soluția este fierbinte, poate doriți să așteptați câteva minute înainte de a o turna în cupe. Dacă cupele sunt din plastic subțire, ieftin, lichidul fierbinte le-ar putea face să se topească și să se îndoaie. (Acest lucru mi s-a întâmplat; cupele mele roșii erau triste și lăsate în partea de jos.)
- folosind o cană de măsurare, turnați 300 mililitri (10 uncii fluide, puțin mai mult decât o cană) din soluție în fiecare cană. Poate fi necesar să faceți un alt lot sau două din fiecare soluție până când aveți suficient pentru a umple toate cele 12 Căni din fiecare grup.
- cântărește fiecare șir înainte de a-l scufunda în soluție. Folosiți o scală pentru a găsi masa fiecărui șir în grame (fiecare dintre mine cântărea aproximativ un gram). După ce ați observat masa, înmuiați bățul cu atenție într-o ceașcă de soluție de zahăr, apoi fixați-l în poziție. Asigurați-vă că șirul nu atinge partea inferioară sau laterală a Cupei. Am legat fiecare șir de o frigăruie de lemn așezată pe mai multe căni.
- puneți toate cupele într-un loc răcoros și uscat, unde nu vor fi deranjate.
- așteaptă. Cât timp? Veți începe să vedeți cristale de zahăr forma după o zi sau cam asa ceva. Dar dacă doriți ca bomboanele să mănânce, veți dori să așteptați cel puțin cinci zile.
la sfârșitul experimentului, scoateți din nou scara. Trageți fiecare șir din ceașcă, asigurați-vă că nu picură și cântăriți-l a doua oară. Ar trebui să-l mănânci? Poate că nu.
aveți datele dvs. și mâncați-le și ele?
pentru a afla câtă bomboană rock ați făcut în fiecare grup, scădeți greutatea fiecărui șir la începutul experimentului din greutatea șirului acoperit cu bomboane. Asta vă va spune câte grame de cristale de zahăr au crescut.
la sfârșitul experimentului meu de cinci zile, am creat o foaie de calcul a rezultatelor mele, fiecare grup obținând propria coloană. În partea de jos, am calculat media — creșterea medie a cristalelor — pentru fiecare grup.
grupul meu de control super-saturat a crescut în medie cu 10,5 grame de bomboane. Bomboanele păreau roz și gustoase. Dar celelalte grupuri ale mele au crescut în medie – zero grame de bomboane. Arătau ca niște bucăți de sfoară albastre sau verzi. Unele dintre cupe au crescut chiar mucegai. (Brut. Nu mânca alea.)
au fost cele trei grupuri diferite unele de altele? Cu siguranță părea că grupul super-saturat era diferit. Dar pentru a fi sigur, Am nevoie pentru a rula unele statistici — teste care vor interpreta constatările mele.
primul test pe care l-am făcut a fost o analiză a varianței, sau ANOVA. Acest test este utilizat pentru a compara mijloacele a trei sau mai multe grupuri. Există calculatoare gratuite care vor rula acest test pentru dvs. online. L-am folosit pe cel de la calculatoare bune.
acest test vă oferă două rezultate, Un F-stat și o valoare P. Un F-stat este un număr care vă spune dacă trei sau mai multe grupuri sunt diferite unele de altele. Cu cât F-stat este mai mare, cu atât este mai probabil ca grupurile să fie diferite unele de altele într-un fel. F-stat meu a fost 42.8. Este foarte mare; există o mare diferență între aceste trei grupuri.
valoarea p este o măsură a probabilității. Acesta măsoară cât de probabil este că aș găsi din întâmplare o diferență între cele trei grupuri ale mele, care a fost cel puțin la fel de mare ca cea pe care o raportez. O valoare p mai mică de 0,05 (sau cinci procente) este considerată de mulți oameni de știință ca fiind statistic „semnificativă.”Valoarea p pe care am primit-o de la calculatoare bune a fost atât de mică încât a fost raportată ca 0. Există o șansă de 0% să văd o diferență atât de mare din întâmplare.
dar acestea sunt doar numere care raportează o diferență între cele trei grupuri. Nu-mi spun unde e diferența. Este între grupul de control și grupul 0.33: 1? Grupul 1:1 și grupul 0.33: 1? Ambele? Nici? Nu am nici o idee.
pentru a învăța, am nevoie pentru a rula un alt test. Acest test se numește test post-hoc — unul care îmi permite să analizez în continuare datele mele. Testele Post-hoc trebuie utilizate numai atunci când aveți un rezultat semnificativ de analizat.
există multe tipuri de teste post-hoc. Am folosit testul lui Tukey. Acesta va compara toate mijloacele dintre toate grupurile. Deci, va compara raportul 3:1 cu 1:1, apoi 3:1 la 0,33 la 1 și, în final, 1: 1 la 0,33 la 1. Pentru fiecare, testul Tukey ‘ s range oferă o valoare p.
testul meu Tukey a arătat că grupul de control 3:1 a fost semnificativ diferit de 1:1 (o valoare p de 0,01, o șansă de un procent de diferență). Grupul 3:1 a fost, de asemenea, semnificativ diferit de 0,33: 1 (o valoare p de 0,01). Dar grupurile 1:1 și 0,33: 1 nu erau diferite una de cealaltă (ceea ce v-ați aștepta, deoarece ambele au avut o creștere medie de cristal zero). Am făcut un grafic pentru a arăta rezultatele mele.
acest experiment pare destul de clar: dacă doriți bomboane rock, aveți nevoie de mult zahăr. Soluția super-saturată este o necesitate, astfel încât zahărul să poată cristaliza pe șirul tău.
dar există întotdeauna lucruri pe care un om de știință le poate face mai bine în orice studiu. De exemplu, am avut trei grupuri cu cantități diferite de zahăr în apă. Dar un alt control bun — un grup în care nimic nu se schimbă — ar fi unul fără zahăr în apă. Data viitoare când vreau să-mi fac niște bomboane, am un alt experiment de făcut.
lista materialelor
zahăr granulat (6 pungi, 6,36 USD fiecare)
frigarui pentru grătar (pachet de 100, 4,99 USD)
pahare din plastic transparent (pachet de 100, 6,17 USD)
șir (2,84 USD)
oală mare (4 litri, 11,99 USD)
cupe de măsurare ($7.46)
bandă scotch (1,99 USD)
colorant alimentar (3,66 USD)
rolă de prosoape de hârtie (0,98 USD)
mănuși din nitril sau latex (4,24 USD)
scară digitală mică (11 USD.85)