“控制變量”思想在初中物理解題中的應(yīng)用

高春禮（福州四中桔園洲中學，福建福州3 5000 8）

“控制變量”思想在初中物理解題中的應(yīng)用

高春禮
（福州四中桔園洲中學，福建福州3 5000 8）

控制變量法是指物理學中對于多因素（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單因素的問題，而只改變其中的某一個因素，從而研究這個因素對事物的影響，并分別加以研究，最后再綜合解決?？刂谱兞克枷朐诔踔形锢碇谐?yīng)用于探索問題和分析解決問題中；學生通過掌握“控制變量法”的解題方法與思路，達到能自發(fā)應(yīng)用變量控制思想定量研究相關(guān)物理規(guī)律，達到能熟練應(yīng)用控制變量思想于更高層次的知識和能力中去，最終達到能自覺而熟練地應(yīng)用控制變量的思想于所有的科學研究中。

控制變量法；研究對象；實驗變量；控制的變量

從亞里士多德時代的自然哲學，到牛頓時代的經(jīng)典力學，直至現(xiàn)代物理中的相對論、量子力學，物理科學作為自然科學的基礎(chǔ)學科，不僅對物質(zhì)文明的進步和人類對自然界認識的深化起到了重要的推動作用，并且對人類的思維發(fā)展起到了不可或缺的影響。這種思維方式的變革所產(chǎn)生的影響超越了科學認識的領(lǐng)域，滲透到人類生活的各個領(lǐng)域，給人類的政治、經(jīng)濟、文化和生活帶來了一種新的價值觀?；谖锢韺W的課程價值，物理課程標準規(guī)定“學生通過義務(wù)教育階段的物理學習，應(yīng)該具備基本的科學素養(yǎng)”，課程標準中還給定了義務(wù)教育階段物理課程總目標，以是否達到“養(yǎng)成良好的思維習慣，在解決問題或作決定時能嘗試運用科學原理和科學研究方法”、以是否“具有初步的科學探究能力”作為判斷學生達到總目標的依據(jù)?？茖W研究方法很多，在科學探究中最常用到也是最基本的一種方法是“控制變量法”。

控制變量法是指物理學中對于多因素（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單因素的問題，而只改變其中的某一個因素，從而研究這個因素對事物影響，分別加以研究，最后再綜合解決的方法。本文嘗試通過分析“控制變量”思想在初中物理解題中的應(yīng)用，進一步提高學生的科學素養(yǎng)，“養(yǎng)成良好的思維習慣，在解決問題或作決定時能嘗試運用科學原理和科學研究方法”，提高學生“在實踐中有依靠自己科學素養(yǎng)提高工作效率的意識”，養(yǎng)成尊重事實、大膽想象的科學態(tài)度和科學精神。

一、應(yīng)用控制變量思想進行科學探究時需考慮以下幾點：

1.確定研究對象

這里所指的研究對象不是一個物體，而是一個物理問題。如“探究影響導體電阻大小的因素”實驗中，研究對象就是“導體電阻”；在“探究影響聲音的音調(diào)”實驗中，研究對象是“聲音的音調(diào)”。

2.明確實驗變量和所需要控制的變量

實驗變量是指實驗探究中要求變化的唯一變量，而所需要控制的變量就是實驗探究中保持不變的物理量。如“探究電流大小與導體電阻的關(guān)系”中，實驗變量是指導體電阻，控制的變量就是所研究的導體除電流外的其余物理量（如導體兩端電壓）。

3.明確如何保持所控制的變量不變

如在“探究電流大小與導體電阻的關(guān)系”中，就要通過移動滑動變阻器保持導體兩端電壓不變；而在“探究壓力的作用效果與物體受力面積的關(guān)系”實驗中，通過控制壓在受力物體上的砝碼質(zhì)量，控制物體所受壓力不變。

4.明確如何改變實驗變量

如在“探究電流大小與導體電阻的關(guān)系”中，就要通過更換所研究的導體從面改變實驗變量（為了更好地找出實驗規(guī)律，建議導體電阻成倍增加或減少）；而在“探究壓力的作用效果與物體受力面積的關(guān)系”實驗中，通過改變長方體立于受力物體上的姿勢從面改變受力面積。

5.明確如何觀察或測量研究對象

如在“探究電流大小與導體電阻的關(guān)系”中應(yīng)用電流表測量所研究導體的電流；在“探究壓力的作用效果與物體受力面積的關(guān)系”實驗中通過觀察受力物體的形變程度，記錄壓力的作用效果。

二、應(yīng)用控制變量思想解題時的基本方法與思路

1.學會正確提出問題

《物理課程標準》要求學生“能從日常生活、自然現(xiàn)象或?qū)嶒灛F(xiàn)象的觀察中發(fā)現(xiàn)與物理學有關(guān)的問題；能書面表達或口頭表述這些問題”。這就要求學生在解題時能從題目給定的情景中（文字情景、圖片資料等）發(fā)現(xiàn)與物理學有關(guān)的問題，并能書面表述這些問題，要求所提出的問題必需是與物理相關(guān)的。

（1）從實驗現(xiàn)象中提出問題

［例1］圖1所示是某?？茖W興趣小組為探究自然科學問題所做的實驗，請根據(jù)實驗設(shè)計意圖提出他們想要探究的問題。圖中所探究的問題是：。

（2）從日常生活、自然現(xiàn)象中提出與物理有關(guān)的問題

［例2］某同學在海邊散步時，看到沙灘中留下許多腳印，這些腳印有的深、有的淺；高跟鞋后跟留下的印痕窄而深，平底鞋留下的印痕寬而淺。請同學們經(jīng)思考后提出一個相關(guān)問題？

分析：本題確定研究對象是“壓力作用效果（或說壓強）”，實驗變量是受力面積。

答案：“壓力作用效果與受力面積有什么關(guān)系？”

方法總結(jié)：這類題型可用“‘研究對象’與‘實驗變量’有什么關(guān)系”這一模式解答。

2.學會猜想與假設(shè)

《物理課程標準》：“嘗試根據(jù)經(jīng)驗和已有知識對問題的成因提出猜想；對探究的方向和可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果進行推測與假設(shè)”。這就要求學生能根據(jù)經(jīng)驗和已有知識對題目中提得的問題的成因提出猜想，能對探究的方向和可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果進行推測與假設(shè)。所有猜想與假設(shè)必需是與物理相關(guān)的，必需是合理的，而且要有依據(jù)；切忌亂猜。

［例3］圖2所示為煒昊同學所做的一次實驗，請你根據(jù)圖中的現(xiàn)象提出一種猜想：。

分析：首先確定研究對象，從圖中可知實驗研究對象是水蒸發(fā)的快慢；其次明確實驗變量是溫度，需要控制的變量是水表面積及表面空氣流速。

答案：相同條件下，水溫越高，水蒸發(fā)越快（慢）。

方法總結(jié)：這類題型可用“相同條件下，‘研究對象’隨‘實驗變量’變大而變大（或變?。边@一模式解答。

3.學會設(shè)計實驗

《物理課程標準》中對制定計劃與設(shè)計實驗的要求：“明確探究目的和已知條件，經(jīng)歷制定計劃與設(shè)計實驗的過程；嘗試選擇科學探究的方法及所需的器材；嘗試考慮影響問題的主要因素，有控制變量的初步意識”。

［例4］給你如圖3所示器材，（帶有四個鐵釘?shù)男》阶?、沙箱及三個質(zhì)量不同的重物），請你設(shè)計一個實驗，探究物體的重力勢能與物體的質(zhì)量關(guān)系。

［分析］研究對象為“重力勢能”，實驗變量為“物體的質(zhì)量”，控制的變量是“高度”；重力勢能無法直接觀察或測量，所以應(yīng)用轉(zhuǎn)換法，把它轉(zhuǎn)換成可直接觀察或測量的物理量，因此本題應(yīng)通過比較小方桌陷入沙中的深度來比較重力勢能的大小。

［答案］（1）把小方桌輕放在裝有適量沙子的沙箱上；（2）分別讓三個質(zhì)量不同的重物從相同的高度自由落到小方桌上；（3）觀察并記錄三次實驗中小方桌陷入沙中的深度。

解題基本思路：（1）正確擺放實驗器材；（2）注意多次實驗，注意如何保持“控制變量”不變、如何改變“實驗變量”；（2）注意觀察并記錄“研究對象”，若無法直接觀察或測量，則應(yīng)使用轉(zhuǎn)換法；（4）實驗步驟的基本書寫方法：用什么，做（測）什么，觀察（記）什么。

4.學會應(yīng)用控制變量思想進行實驗

《物理課程標準》要求：“能通過觀察和實驗收集數(shù)據(jù)；會使用簡單的實驗儀器，能正確記錄實驗數(shù)據(jù)；具有安全操作的意識”。這就要求學生會正確、規(guī)范的使用天平、彈簧測力計、量筒、溫度計、電流表、電壓表、滑動變阻器、學生電源等實驗儀器；會閱讀簡單儀器的說明書，能按書面說明操作；能通過觀察和實驗收集數(shù)據(jù)；能通過閱讀信息收集證據(jù)；能夠評估有關(guān)信息的科學性。

解題中應(yīng)該注意：如何改變“實驗變量”、如何控制“所控制的變量”不變、如何觀察（測量）“研究對象”，同時要注重物理實驗操作的基本方法，注重多次實驗的基本物理思想；其方法與設(shè)計實驗有所相同。

5.學會分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論

“能初步描述實驗數(shù)據(jù)或有關(guān)信息；能對收集的信息進行簡單的比較；能進行簡單的因果推理；能從物理現(xiàn)象和實驗中歸納科學規(guī)律；能對探究結(jié)果進行描述和解釋”，這些是《物理課程標準》對學生的要求。在分析數(shù)據(jù)時，要先判斷“果”與“因”間是否存在比例關(guān)系，若“研究對象”ד實驗變量”=恒量，則“果”與“因”成反比，若“研究對象”/“實驗變量”=恒量，則“果”與“因”成正比。書寫結(jié)論時要注意因果關(guān)系，一般有如下三種格式用來書寫結(jié)論：

結(jié)論的基本表達方式

（1）在“控制的變量”相同時，“研究對象”與“實驗變量”成比。

注：研究對象×實驗變量=恒量，成反比；研究對象/實驗變量=恒量，成正比。

（2）在“控制的變量”相同時，“實驗變量”越“研究對象”越。

（3）“研究對象”與“實驗變量”無關(guān)。

［例5］小科同學在探究“壓力的作用效果與壓力大小的關(guān)系”：

（1）應(yīng)做圖4甲和（填“乙”或“丙”）所示實驗。

（2）實驗?zāi)軌虻玫降慕Y(jié)論是：。

［分析］研究對象為“壓力作用效果”，實驗變量為“壓力大小”，控制的變量是“受力面積”；因此應(yīng)選“乙”。比較甲乙兩圖，海棉受到壓力大時形變程度更大；在寫結(jié)論時一定要注意條件。

［答案］（1）乙（2）受力面積相同時，壓力越大壓力作用效果越明顯。

［例6］小亮在“研究電流跟電壓、電阻關(guān)系”的實驗中，記錄了如下表的實驗數(shù)據(jù)：

表1

表2

分析表1數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論；分析表2數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論。［分析］本題中“研究對象”是“電流”，表1中實驗變量為“電壓”，控制的變量是“電阻”；由表1可得，所以結(jié)論一為“導體電阻一定時，導體中的電流與其兩端電壓成正比”。而表2中的實驗變量是“電阻”，控制的變量是“電壓”，且有IR=2，所以結(jié)論二為“導體兩端電壓一定時，導體中的電流與其電阻成反比。

6.學會評價與合作交流

“有評估探究過程和探究結(jié)果的意識；能注意假設(shè)與探究結(jié)果間的差異；能注意探究過程中未解決的矛盾，發(fā)現(xiàn)新的問題；嘗試改進探究方案；有從評估中吸取經(jīng)驗教訓的意識；有準確表述自己觀點的意識；能思考別人的意見，改進自己的探究方案”，這是《物理課程標準》對科學探究中“評估”“交流與合作”環(huán)節(jié)的主要要求，也是在中考考題中便于考查的能力。

評價實驗方案存在不足之處，我們一般從以下幾個方面考慮：

（1）變量是否控制好；

（2）是否進行了多次實驗，以排除實驗的偶然性；（3）得出的結(jié)論是否科學。

［例7］在探究“電流與導體兩端電壓的關(guān)系”實驗中，某同學記錄了該實驗的有關(guān)數(shù)據(jù)如圖5所示。請你分析一下，他的實驗存在什么不科學之處呢？

［分析］研究對象是“電流”，實驗變量為“電壓”，因此控制的變量應(yīng)為“電阻”；由表中不難看出，本實驗沒有控制電阻相同。

［答案］沒有控制導體電阻相同。

物理學是一門以觀察與實驗為基礎(chǔ)的學科，物理實驗是科學探索物理現(xiàn)象的最有效途徑；物理思想是進行物理規(guī)律探索的先導，在物理實驗的各種指導思想中，最重要也是最基本的思想就是“變量控制思想”。能在解決問題中熟練應(yīng)用“控制變量”的思想，可以提高學生的科學素養(yǎng)，樹立正確的科學觀，對學生的終身學習和終身發(fā)展將有深遠的影響。

圖5

參考方獻：

［1］廖伯琴.物理課程標準解讀［M］.武漢：湖北教育出版社，2002.

［2］賈廷平.控制變量法在解決物理問題中的應(yīng)用［J］.中學物理，2000（4）.

［3］張慶杰.物理教學中控制變量法［J］.中學生數(shù)理化（教與學），2011（8）.

（責任編輯：詹國榮）