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浅析控制变量法在初中物理中的应用
思南文家店中学 王芝飞 201310
摘要：控制变量法是科学探究的一种重要方法，在物理学中有广泛的应用。掌握控制变量法对探究物理规律、理解物理概念、设计物理实验、解决物理问题等都有重要的作用。其中控制变量法在物理中应用非常广泛，本文就控制变量法在初中物理学中的应用及注意事项做一探讨。
关键词：科学探究;控制变量法;应用
在初中物理教学中，我们经常会用到一些研究方法，如：控制变量法、类比法、等效替代法、转换法、累积法、科学推理法、归纳法、分类法、观察法、逆向思维法等。本文就简单的谈谈控制变量法在初中物理教学中的应用。
一、正确理解控制变量法
物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。它是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。
值得注意的是，控制变量法只是探究问题的一种手段，并不是什么科学计算方法，老师在灌输学生时，一定要加以强调。
二、使用方法
根据其定义，下面用实际的例题加以总结：
例题：在“探究摩擦力大小与哪些因素有关”的实验中，同学们提出了以下几种猜想：
A.与物体质量大小有关               B.与物体运动速度有关
C.与物体间的接触面积大小有关       D.与物体间接触面的粗糙程度有关
实验中有一较长的水平粗糙桌面、一个带构的长方体木块和一支弹簧测力计可供使用。
（1） 小方用弹簧测力计水平匀速拉动木块在桌面上进行了三次实验，实验数据如右图所示
次数
木块运动快慢
弹簧测力计示数/N
1
较快
1.8
2
慢
1.8
3
较慢
1.8
表中数据可以验证猜想 ______（填序号），实验中采用控制变量法，则该实验注意保持木块与桌面间的 ______不变，可得到的结论是______________________。
（2）用上述器材还可以验证猜想 ______（填序号），实验中要水平匀速拉动弹簧测力计，是因为__________________ ，若实验中再提供一块长玻璃板，利用上述器材还可以验证猜想______填序号）。
分析：
①第一空分析：从题目的叙述中看出影响因素可能四个：质量、速度、接触面积、粗糙程度。从表格中可以看出是物体的速度发生了变化，所以是研究速度对摩擦力的影响。 第一空填B。第二空分析：再看题目中的叙述“一较长的水平粗糙桌面、一个带构的长方体木块”。只有一个桌面、一个木块所以质量大小不会变化、接触面的粗糙程度不会变化，这两个变量不变就要注意。但木块是长方体，竖放，侧放，平放三种放法，受力面积是会发生变化的，为了研究速度和摩擦力的关系，所以要控制接触面积不变。第三空分析：由于速度变化而摩擦力不变，说明摩擦力与速度无关。
②第一空分析：题目叙述为用上述器材，也就是“一较长的水平粗糙桌面、一个带构的长方体木块”。一个桌面、一个木块，所以质量大小不会变化、接触面的粗糙程度不会变化，所以不可验证A、D。但木块是长方体，竖放，侧放，平放三种放法，受力面积是会发生变化的。验证摩擦力与接触面积的关系。第二空分析：只有匀速拉动时，弹簧测力计的示数才等于摩擦力，所以匀速拉的目的是利用二力平衡测摩擦力.第三空：“提供一块长玻璃板”。实验由桌面变化玻璃面，接触面的粗糙程度变化，所以是验证摩擦力与接触面粗糙程度关系。
总结：控制变量法的具体使用方法就是，在有多个变量时，要探究问题与哪个量有关，就这个量变，其他量都不变。
三、融会贯通，解决实际问题
古人有曰“授之以鱼不如授之以渔”，教会学生具体的方法，学以致用，这也是我们教育教学的真谛所在，下面就从三个方面阐述用控制变量法解决实际的物理问题。
1、用控制变量法探究物理规律
“欧姆定律” 是电学的基础和重点，处于电学的核心位置。学生们通过之前的学习掌握了电路的3个基本物理量：电流、电压、电阻。它们之间有怎样的关系呢？其中重点是如何运用“控制变量法”的方法来设计整个实验，明确用什么方法保证哪些物理量不变，用什么方法改变什么物理量。
1.1 控制电阻R不变，改变导体两端电压U，探究电流I与电压U之间的关系
    （1）采用定值电阻，即可保证定值电阻R不变。
    （2）改变导体两端的电压，可用两种办法：①改变电源两端的电压，即可改变导体两端的电压U。用这个电路，学生能够较为轻松地运用控制变量的方法直接研究电流与电压的关系，易于学生理解和掌握。②通过调节滑动变阻器，改变电阻R两端的电压。要使学生明确研究对象是定值电阻这部分电路，滑动变阻器的作用是为了使定值电阻两端的电压发生改变。
1.2  控制导体两端的电压U不变，改变电阻R，探究电流与电阻的关系
（1）换用不同的定值电阻即可改变电阻R。
（2）改变电阻R的同时要保证导体两端的电压不变，可以采用以下两种方法：①使用同一个电源，即可保证导体两端的电压不变，更换不同的电阻，可直接得出电流与电阻的关系，降低了探究的难度。但如果实验中使用的是干电池，电池有内阻，外接电阻R变化时，电阻R两端的电压也会随之有所变化，给实验带来误差。②换用阻值不同的电阻R时，若滑动变阻器的滑片不动，定值电阻两端的电压会发生变化。电压、电阻都改变，就不能确定究竟是什么因素影响了电流。这一点学生在实验中非常容易忽视，教师要注意引导学生观察电压表，使其示数保持不变。
    经过以上两个环节的探究，学生得出“导体中的电流与导体两端的电压和导体的电阻的关系”便水到渠成了。
3.2、用控制变量法探究实验
例题1
在做“研究导体的电阻跟哪些因素有关”的实验时，为了便于研究，而采用控制变量法，即每次须挑选两根合适的导线，测出通过它们的电流，然后进行比较，最后得出结论．
导线代号
A
B
C
D
E
F
G
长度（m）
1.0
0.5
1.5
1.0
2.0
0.5
1.5
横截面积（mm2）
3.0
0.8
1.2
0.8
3.0
1.2
1.2
材料
锰铜丝
钨
镍铬丝
锰铜丝
钨
镍铬丝
铝
（1）为了研究导体的电阻与导体的长度有关，应选用导线 C和 F（填写代号即可）．
（2）为了研究电阻与导体材料有关，应选用 C和G两根导线进行比较．
（3）如果选用A、D两根导线接入电路中，闭合开关，通过观察灯泡的亮度或电流表的示数来比较导线电阻的大小．实验中，两次电流表指针均有偏转，但第二次的示数小于第一次的，说明第二次接入电路的导线电阻的阻值 较大（选“较大”或“较小”），同时还发现第二次实验中灯泡不亮，你认为原因：是电路中的电阻越大，通过电路中的电流越小，灯泡越暗。
分析：
（1）当研究导体的电阻与导体的长度关系时，应使导体的材料和导体的横截面积不变，导体的材料变，因此分析表格中数据，选出符合条件的导体；
（2）当研究导体电阻与导体的材料关系时，应使导体的长度和导体的横截面积不变，导体的材料变，因此分析表中数据，找出符合选项的导体；
（3）电阻是阻碍电流大小的物理量；因此通过电流表的示数比较电阻的大小，并根据电阻的作用和通过灯泡的电流分析灯泡不亮的原因．
（1）因为探究导体电阻与导体长度的关系时，导体的材料和横截面积都不变，但导体的材料不同，因此从表中数据可以看出C和F符合要求；
（2）因为探究导体电阻与导体长度关系时，导体的材料和横截面积都不变，但导体的长度不同，因此从表中数据可以看出C和G符合要求；
（3）因为电阻是阻碍电流大小的物理量，因此电流表的示数变小，说明接入电路中的电阻增大；又因为通过灯泡的电流越大，灯泡越亮，因此当接入电路中的电阻增大时，电路中的电流减小，灯泡的亮度变……
故答案为：（1）C、F；（2）C和G；（3）电路中的电阻越大，通过电路中的电流越小，灯泡越暗。
例题2
如图所示，某同学用尺子作乐器探究音调和响度分别与什么有关时，做了以下实验：
（1）用尺子作乐器探究决定音调高低的因素，把钢尺紧按在桌面上，一端伸出桌边，拨动钢尺，听它振动发出的声音，同时注意钢尺振动的快慢；改变钢尺伸出桌边的长度，再次拨动，使钢尺每次的振动幅度大致相同．实验发现尺子伸出桌面的长度越长振动越 慢，发出声音的音调越 低；尺子伸出桌面的长度越短振动越 快，发出声音的音调越 高．由此可得出结论：音调的高低与 发声体振动的频率有。
（2）用尺子作乐器探究决定响度大小的因素，把钢尺紧按在桌面上，一端伸出桌边，拨动钢尺，听它振动发出的声音，同时注意钢尺振动幅度；改变拨动钢尺的力度，再次拨动，使钢尺每次的振动快慢大致相同．实验发现拨动尺子的力度越大尺子振动幅度越 大，发出声音的响度越 大；拨动尺子的力度越小尺子振动幅度越 小，发出声音的响度越 小,由此可得出结论：响度的大小与 发声体振动的幅度有。
分析：
（1）尺子发出声音的音调与尺子振动快慢有关：
当尺子伸出桌面的长度越长时，振动越慢，发出声音的音调越低；当尺子伸出桌面的长度越短时，振动越快，发出声音的音调越高；由此可得出结论：音调的高低与发声物体的振动频率有关．
（2）尺子发出声音的响度与尺子振动幅度有关：
拨动尺子的力度越大尺子振动幅度越大，发出声音的响度越大；拨动尺子的力度越小尺子振动幅度越小，发出声音的响度越小；由此可得出结论：响度的大小与发声物体的振动幅度有关．
注意：实验1中是探究音调与尺子长度的关系，根据控制变量法的使用方法，就应控制弹的力度不变，控制尺子伸出的长度变；实验2中是探究音调与尺子振动的幅度的关系，因此就应控制尺子伸出的长度，控制弹的力度不变。
3、用控制变量法解决实际问题
例题:
下列说法中正确的是（C）
A、质量大的燃料放的热量一定大 B、热值大的燃料放的热量一定大
C、质量相同的燃料完全燃烧时，热值大的放出的热量多
D、以上答案均不正确
分析：
由计算热量的公式Q=mq可知，Q是由m和q两个量决定，在讨论Q的大小是，不能简单由m或q来确定，要对m或q进行控制讨论，即用控制变量法进行讨论，答案C就是控制m不变，由q来决定，q越大Q越大。因此也还可以说：同一燃料完全燃烧时，质量大的放出热量多。就是控制q不变，由m来决定，m越大Q越大。再如一个运动的物体，要如何比较他们的运动快慢，可以用类似的方法去进行分析和讲解。
总之，在中学物理教学中，能用到控制变量法的例子实在太多，其意义和作用尤为重要，本文仅以几例进行了诠释，文中有不全之外，还望各位同仁不惜指正。

参考文献
1、《物理教师教学用书》八年级下册.人民教育出版社
2、《名校学案.中考导考资料》初中全册.云南科技出版社
3、《学院新报.物理天地》新课标九年级.学院新报社
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