初中物理控制變量法的深度應(yīng)用探討

滕文

【摘 要】控制變量法是初中物理中一種常見且重要的研究問題的方法。理解并掌握控制變量法，對(duì)初中生學(xué)習(xí)物理概念、規(guī)律，設(shè)計(jì)并操作實(shí)驗(yàn)有重要作用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。本文從實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、圖象結(jié)合、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)論評(píng)估四個(gè)方面簡(jiǎn)要闡述控制變量法的深度應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】初中物理;控制變量法;深度應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1671-8437（2021）28-0067-02

對(duì)于物理學(xué)中的多因素（多變量）的問題，常常采用控制因素（變量）的方法，把多因素的問題變成多個(gè)單因素的問題，每一次只改變其中的某一個(gè)因素，控制其余幾個(gè)因素不變，從而研究被改變的這個(gè)因素對(duì)事物的影響，接著對(duì)各個(gè)因素分別加以研究，最后再綜合解決。這就是物理學(xué)中的控制變量法。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）提出，科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方

式[1]。控制變量法就是一種重要的科學(xué)探究方法，它可以運(yùn)用在科學(xué)探究的每一個(gè)環(huán)節(jié)。

1? ?在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中的深度運(yùn)用

《課標(biāo)》中對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與評(píng)估的要求為“嘗試選擇科學(xué)探究的方法及所需的器材;嘗試考慮影響問題的主要因素，有控制變量的意識(shí);嘗試改進(jìn)探究方案”。《課標(biāo)》中的20個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)中，大部分都運(yùn)用了控制變量法，單純地考查常規(guī)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)比較少見，更多地轉(zhuǎn)而考查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)里的改進(jìn)部分。

例1：探究影響動(dòng)能大小的因素的實(shí)驗(yàn)，過程如圖1所示（h1>h2）。實(shí)驗(yàn)中觀察到木塊移動(dòng)的距離s1、s2接近，為使現(xiàn)象更明顯，下列措施一定可行的是（ ）。

A.增大h1

B.增大h2

C.圖1（a）實(shí)驗(yàn)用質(zhì)量更小的木塊

D.圖1（b）實(shí)驗(yàn)用更粗糙的水平面

分析：本實(shí)驗(yàn)除了運(yùn)用控制變量法，還用到了轉(zhuǎn)換法，把小車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成木塊移動(dòng)的距離長(zhǎng)短，這個(gè)距離是判定動(dòng)能大小的關(guān)鍵。本題設(shè)計(jì)了兩次距離接近，且需改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使現(xiàn)象更明顯的情境，這要求學(xué)生明確每個(gè)選項(xiàng)是改變了哪個(gè)量，選項(xiàng)A和B都是改變小車的釋放高度，實(shí)則改變小車到達(dá)水平面的速度，題干中已知h1>h2，那么s1必定大于s2，選項(xiàng)B只會(huì)讓距離更接近，因此正確答案為選項(xiàng)A。但是，還有一部分學(xué)生錯(cuò)選了C和D，選項(xiàng)C確實(shí)是可以讓s1更大，但是木塊作為轉(zhuǎn)換動(dòng)能大小的關(guān)鍵，木塊的質(zhì)量在兩次實(shí)驗(yàn)中是不能改變的，同樣選項(xiàng)D中水平面的粗糙程度也是不能改變的量，學(xué)生容易和影響摩擦力因素的實(shí)驗(yàn)混淆。因此在運(yùn)用控制變量法的過程中，學(xué)生不僅需熟知影響物理實(shí)驗(yàn)的因素，還需要知道不能改變的因素。

2? ?結(jié)合數(shù)據(jù)分析的深度運(yùn)用

《課標(biāo)》中對(duì)收集證據(jù)與分析的要求為“能對(duì)收集的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較，能進(jìn)行簡(jiǎn)單的因果推理”。初中物理大部分實(shí)驗(yàn)的結(jié)論停留在定性階段，即大小的變化趨勢(shì)，唯獨(dú)歐姆定律的兩個(gè)結(jié)論是定量的，涉及正比和反比。初中生計(jì)算和分析數(shù)據(jù)的能力不強(qiáng)，但這項(xiàng)能力是學(xué)習(xí)高中物理應(yīng)當(dāng)具備的。

例2：在探究電流與電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，器材如圖2，電源電壓為4.5 V且不變，定值電阻R，滑動(dòng)變阻器

R（50 Ω 1 A），雙量程電流表和電壓表，導(dǎo)線若干。當(dāng)定值電阻為10 Ω時(shí)，對(duì)應(yīng)的電流表示數(shù)為0.15 A，為了測(cè)量多組數(shù)據(jù)，又提供了15 Ω、20 Ω、25 Ω、30 Ω、35 Ω定值電阻各一個(gè)，其中? ? ? 定值電阻不能使用。

分析：在探究通過導(dǎo)體的電流與電阻大小關(guān)系時(shí)，必須保持電阻兩端電壓相同。應(yīng)保持電阻兩端的電壓為

1.5 V，根據(jù)理想電路的分壓原理，滑動(dòng)變阻器分得的電壓為3 V，那么定值電阻與滑動(dòng)變阻器的阻值比為1：2，滑動(dòng)變阻器的最大阻值為50 Ω，則定值電阻可以接入的最大阻值為25 Ω，因此正確答案為30 Ω、35 Ω。本題也可作另一種改編，如“為了完成實(shí)驗(yàn)，滑動(dòng)變阻器可以如何調(diào)整？”總之，學(xué)生必須牢牢抓住需要控制的量，以及控制變量之后相關(guān)量之間的關(guān)系。

3? ?借助圖象論證的深度運(yùn)用

《課標(biāo)》中對(duì)論證與評(píng)估的要求為“嘗試對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行描述和解釋，能關(guān)注探究活動(dòng)中出現(xiàn)的新問題”。數(shù)理不分家是理科的共識(shí)，物理充分利用了數(shù)學(xué)語言揭示物理知識(shí)的性質(zhì)及其相互關(guān)系，圖象為表示量之間的關(guān)系提供了新方式。

例3：用相同的酒精燈分別對(duì)a、b兩液體加熱，如圖3（a），根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)分別描繪出兩液體的溫度隨加熱時(shí)間變化的圖象，如圖3（b）。在相同的時(shí)間內(nèi)兩液體吸收的熱量相等，不計(jì)液體熱量散失，分別用ma、mb、ca、cb表示a、b兩液體的質(zhì)量和比熱容，則結(jié)合圖中信息作出的下列推斷正確的是（ ）。

A.若ma=mb，則ca>cb

B.若ma=mb，則ca

C.若ca=cb，則ma>mb

分析：本題沒有采用教材中的種類不同、質(zhì)量相同的兩液體，當(dāng)加熱時(shí)間相同時(shí)，比較升溫的多少或當(dāng)升高相同的溫度，比較加熱時(shí)間的長(zhǎng)短。而是把兩液體的信息換成假設(shè)出現(xiàn)在選項(xiàng)中，那么坐標(biāo)中圖線的傾斜程度不能完全成為判斷比熱容大小的依據(jù)。當(dāng)兩液體質(zhì)量相同時(shí)，相同的加熱時(shí)間，升溫多的比熱容小，則選項(xiàng)B正確;若比熱容相同，則兩液體為同種液體，根據(jù)公式c=

，只可能是質(zhì)量不同，且升溫較多的質(zhì)量小，則選項(xiàng)C錯(cuò)誤。本題難度較大，比熱容涉及3個(gè)變化因素，坐標(biāo)中提供了兩個(gè)，必須關(guān)注第三個(gè)變化因素的呈現(xiàn)方式。

4? ?在結(jié)論評(píng)估中的深度運(yùn)用

《課標(biāo)》中對(duì)論證與交流的要求為“經(jīng)歷從物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)中歸納科學(xué)規(guī)律的過程，有準(zhǔn)確表達(dá)自己觀點(diǎn)的意識(shí)”。評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案也是一種靈活運(yùn)用控制變量法的體現(xiàn)，一般從以下幾個(gè)方面考慮：①變量是否可控;

②是否進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，以排除實(shí)驗(yàn)的偶然性;③得出的結(jié)論是否科學(xué)。

例4：在探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素的實(shí)驗(yàn)中，如4圖所示，圖4（a）將毛巾固定在長(zhǎng)木板上，木塊A平放在毛巾上;圖4（b）將木塊A平放在長(zhǎng)木板上，并在木塊A上放一砝碼;以上操作均緩緩地勻速拉動(dòng)木塊A，保持彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)穩(wěn)定，并記錄其示數(shù)。由圖4? ? ? （選填“能”或“不能”）證明滑動(dòng)摩擦力與接觸面粗糙程度有關(guān)，理由是? ? ? 。

分析：在探究摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制兩次實(shí)驗(yàn)中物體對(duì)接觸面的壓力相同，依據(jù)上文提到的方法，發(fā)現(xiàn)兩次實(shí)驗(yàn)中物體對(duì)接觸面的壓力并不相同，學(xué)生會(huì)選擇不能，但這樣的結(jié)論是否科學(xué)？圖4（b）實(shí)驗(yàn)中物體對(duì)接觸面的壓力比圖4（a）實(shí)驗(yàn)大，但是圖4（a）實(shí)驗(yàn)中彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)比圖4（b）還小，可見示數(shù)小的原因?yàn)榻佑|面粗糙程度，說明木板更光滑。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.