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“控制變量法”在初中物理中的應(yīng)用 保安中學(xué) 張李衛(wèi) 摘要：本文系統(tǒng)的介紹了控制變量法思想在初中階段的應(yīng)用：1、定義相關(guān)物理量；2、進(jìn)行有關(guān)探究實驗：3、解決有關(guān)物理問題。 關(guān)鍵字：控制變量法 定義 探究 解決問題 控制變量法是物理學(xué)中應(yīng)用較多的一種思維和實驗方法，在物理教學(xué)、學(xué)習(xí)、研究方面具有非常重要的價值和意義。所謂“控制變量法”就是當(dāng)一個物理量與多個因素（變量）有關(guān)時，在研究某個因素（變量）與這個物理量關(guān)系時，為了排除其他因素（變量）對這個物理量的影響和干擾，而控制它們不變或相同，每一次只改變其中的某一個因素，把多因素的問題變成多個單因素的問題，分別進(jìn)行研究，通過實驗考察分析找出所改變因素（變量）與這個物理量之間的關(guān)系，最后再加以綜合，從而得出所有因素（變量）與這個物理量之間關(guān)系的思維方法。它是科學(xué)探究中的重要思想方法，廣泛地運用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實驗研究之中?？刂谱兞糠ㄊ浅踔形锢碇谐Ｓ玫奶剿鲉栴}和分析解決問題的科學(xué)方法之一。結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，我認(rèn)為控制變量法的思想在初中物理中主要有以下幾方面的應(yīng)用： 一、 定義相關(guān)物理量 1、速度的定義。 速度是表示物體運動快慢程度的物理量。通常我們判斷物體運動快慢時有兩種方法： a、時間一定時，比較通過路程的長短，通過的路程長，則物體運動的就快； b、路程一定時，比較所用的時間，所用的時間越短，則物體運動的就越快。 在定義速度時我們采用了a方法，控制時間一定，即通過比較單位時間（1s,1min,1h）物體通過的路程來比較物體運動的快慢。若時間單位取國際單位制，則是通過比較一秒時間內(nèi)物體通過的路程來比較物體運動的快慢。因此速度的定義是：物體在單位時間內(nèi)通過的路程。計算公式為：v=s/t （速度=路程時間）。 2、壓強(qiáng)公式的定義。 壓強(qiáng)是表示壓力作用效果強(qiáng)弱的物理量。通過實驗我們認(rèn)識到比較壓力的作用效果有兩種方法： a、壓力一定時，比較受力面積，受力面積越小，則壓力的作用效果就越強(qiáng)； b、受力面積一定時，比較壓力，壓力越大，壓力的作用效果就越強(qiáng)。 在定義壓強(qiáng)時我們采用了b方法，控制受力面積一定，即通過比較單位面積（1㎡，1c㎡，1d㎡）上受到的壓力的大小來比較壓力的作用效果。若面積單位取國際單位制，則是通過比較一平方米面積上受到的壓力來比較壓力的作用效果的。因此壓強(qiáng)的定義是：物體單位面積上受到的壓力叫做壓強(qiáng)。計算公式為：p=F/S（壓強(qiáng)=壓力受力面積）。 3、定義功率。 功率是表示物體做功快慢程度的物理量。通常比較物體做功快慢有兩種思路： a、時間一定時，比較做功的多少，做功越多，則做功就越快; b、做功多少一定時，比較所用的時間，所用的時間越短，則物體做功越快。 在定義功率時，我們采用了a方法，控制時間一定，即通過比較單位時間（1s,1min,1h）內(nèi)物體做功的多少來比較物體做功的快慢。若時間單位取國際單位制，則是通過比較一秒時間內(nèi)物體所做功的多少比較物體做功快慢的。因此功率的定義是：物體單位時間內(nèi)所做的功叫做功率。計算公式為：P=W/t (功率=功時間)。 4、定義密度 密度是物質(zhì)的一種特性，僅與物質(zhì)的種類、狀態(tài)、溫度等因素有關(guān)。通常比較物質(zhì)密度的方法有兩種： a、體積一定時，比較質(zhì)量，質(zhì)量越大，則物質(zhì)的密度就越大；質(zhì)量越小，物質(zhì)的密度就越小。 b、質(zhì)量一定時，比較體積，體積越小，則物質(zhì)的密度就越大；體積越大，物質(zhì)的密度就越小。 在定義密度時，我們采用了a方法，控制體積一定，即通過比較單位體積（1m ，1d m ，1c m ）內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量來比較物質(zhì)密度的大小。若體積單位取國際單位制，則是通過比較一立方米內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量來比較物質(zhì)的密度的。因此密度的定義是:單位體積內(nèi)某種物質(zhì)的質(zhì)量叫做這種物質(zhì)的密度。計算公式為：ρ＝m/V （密度=質(zhì)量體積） 另外，比熱容、熱值等公式也都使用了控制變量法來定義的，不妨可以參照以上示例來進(jìn)行分析理解。 二、進(jìn)行有關(guān)探究實驗 控制變量法作為一種常用的、行之有效的科學(xué)探究方法，在物理探究性實驗中有著極為廣泛的應(yīng)用?？梢哉f控制變量法貫穿了整個初中物理教學(xué)，在許多演示實驗和學(xué)生實驗中都用到了控制變量法的思想。例如： 1、探究影響滑動摩擦力大小的因素 根據(jù)猜想，影響物體所受滑動摩擦力大小的因素可能有：接觸面的粗糙程度、接觸面積的大小、物體對接觸面壓力的大小等。為了研究這些因素跟滑動摩擦力大小的關(guān)系，根據(jù)控制變量法的思想： a、在探究接觸面的粗糙程度與滑動摩擦力的關(guān)系時，應(yīng)控制接觸面積的大小和物體對接觸面壓力的大小不變，只改變接觸面的粗糙程度，從而通過實驗探究得出接觸面的粗糙程度與滑動摩擦力的關(guān)系。 b、在探究物體對接觸面壓力的大小與滑動摩擦力的關(guān)系時，應(yīng)控制接觸面積的大小和接觸面的粗糙程度不變，只改變物體對接觸面壓力的大小，從而通過實驗探究得出物體對接觸面壓力的大小與滑動摩擦力的關(guān)系。 c、在探究接觸面積的大小與滑動摩擦力的關(guān)系時，應(yīng)控制物體對接觸面壓力的大小和接觸面的粗糙程度不變，只改變接觸面積的大小，從而通過實驗探究得出接觸面積的大小與滑動摩擦力的關(guān)系。 2、探究動能的大小與哪些因素有關(guān) 根據(jù)猜想，影響物體動能大小的因素可能有物體的速度、質(zhì)量等。在探究動能的大小與物體的速度、質(zhì)量關(guān)系時，根據(jù)控制變量法的思想： a、在探究物體動能大小與物體的速度的關(guān)系時，應(yīng)控制物體的質(zhì)量不變，只改變物體的運動速度，從而探究出物體動能的大小與物體的速度的關(guān)系。 b、在探究物體動能大小與物體的質(zhì)量的關(guān)系時，應(yīng)控制物體的運動速度不變，只改變物體的質(zhì)量，從而探究出物體動能的大小與物體的質(zhì)量的關(guān)系。 3、探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素 根據(jù)猜想，影響導(dǎo)體電阻大小的因素可能有：導(dǎo)體的長度、橫截面積、材料和溫度等。為了探究出導(dǎo)體的電阻與這些因素的關(guān)系，根據(jù)控制變量法的思想： a、在探究導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體長度的關(guān)系時，應(yīng)控制導(dǎo)體的橫截面積、材料和溫度不變，只改變導(dǎo)體的長度，從而探究出導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體長度的關(guān)系。 b、在探究導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體橫截面積的關(guān)系時，應(yīng)控制導(dǎo)體的長度、材料和溫度不變，只改變導(dǎo)體的橫截面積，從而探究出導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體橫截面積的關(guān)系。 c、在探究導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體材料的關(guān)系時，應(yīng)控制導(dǎo)體的長度、橫截面積和溫度不變，只改變導(dǎo)體的材料，從而探究出導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體材料的關(guān)系。 d、在探究導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體溫度的關(guān)系時，應(yīng)控制導(dǎo)體的長度、橫截面積和材料不變，只改變導(dǎo)體的溫度，從而探究出導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體溫度的關(guān)系。 經(jīng)分析整理，初中物理涉及到控制變量法的演示、學(xué)生實驗以及有關(guān)概念、規(guī)律如下： 序號 概念或規(guī)律 對應(yīng)變量 1 聲音的響度 物體的振幅、聲源的遠(yuǎn)近 2 影響蒸發(fā)快慢的因素 液體表面積、溫度、液面氣流速度 3 速度 路程、時間 4 壓強(qiáng) 壓力、受力面積 5 液體壓強(qiáng) 液體的密度、深度 6 浮力 液體的密度、排開液體的體積 7 影響動能大小的因素 物體的質(zhì)量、物體的速度 8 影響重力勢能大小的因素 物體的質(zhì)量、物體的高度 9 影響物體內(nèi)能的因素 物體質(zhì)量、溫度、種類、狀態(tài) 10 熱量的變化（熱傳遞） 比熱容、質(zhì)量、溫度變化 11 熱量（燃料燃燒） 燃料的質(zhì)量、熱值 12 影響導(dǎo)體電阻大小的因素 導(dǎo)體的種類、長度、橫截面積、溫度 13 歐姆定律 導(dǎo)體兩端的電壓、導(dǎo)體的電阻 14 焦耳定律 電流、電壓、電阻 15 電功大小 電壓、電流、通電時間 16 影響電磁鐵磁性的因素 有無鐵芯、線圈匝數(shù)、電流大小 17 通電導(dǎo)線在磁場中的受力方向 通電導(dǎo)線中的電流方向、磁場方向 18 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 電流大小、磁場強(qiáng)弱 19 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向 電流方向、磁場方向 20 感應(yīng)電流的方向 磁場方向、導(dǎo)體切割磁感線方向 21 影響力的作用效果的因素 力的大小、方向、作用點 22 影響滑動摩擦力大小的因素 壓力大小、接觸面的粗糙程度 三、解決有關(guān)物理問題 在初中物理習(xí)題、試卷中我們經(jīng)常會遇到一些問題，需要用控制變量法的方法才能加以解決，或者用控制變量法能更為方便的解決。 1、某同學(xué)用電流表和電壓表測量甲、乙兩段導(dǎo)體的電阻后，作出如圖所示的圖像，由此可以判斷（ ） A、R甲= R乙 B、R甲> R乙 C、R甲< R乙 D、條件不足無法確定 分析：由公式R=U/I并結(jié)合“控制變量法的思想”可知，判斷電阻大小有兩種思路：（1）U一定時比較I，I越大則R越小，I 越小則R越大；（2）I一定時比較U，U越大則R越大，U越小則R越小。 U1 I甲 I乙 根據(jù)思路（1）如右圖我們可在U軸上取一點U1，過該點作I軸的平行線，交甲、乙于A、B兩點，過A、B分別作I軸的垂線，垂足是甲、乙在電壓U1時對應(yīng)的電流I甲、I乙，所以R甲= U1/I甲, R乙= U1/I乙,因為I甲>I乙,所以R甲< R乙。正確答案為C。 I U U乙 甲 乙 U甲 I1 根據(jù)思路（2）如右圖我們可在I軸上取一點I1，過該點作U軸的平行線，交甲、乙于A、B兩點，過A、B分別作U軸的垂線，垂足是甲、乙在電流I1時對應(yīng)的電壓U甲、U乙，所以R甲= U甲/I1, R乙= U乙/I1,因為U甲< U乙,所以R甲< R乙。正確答案為C。 例2、某同學(xué)在做“比較不同物質(zhì)吸熱能力”的實驗時，使用相同的電加熱器給水和煤油加熱，用加熱時間的長短來表示物質(zhì)吸收熱量的多少。他得到如下數(shù)據(jù) 物質(zhì) 次數(shù) 質(zhì)量m/kg 升高的溫度Δt/℃ 加熱的時間t/min 水 1 0．1 10 2 2 0．2 10 4 煤油 3 0．1 10 1 4 0．2 10 2 （1）分析第1、2次或第3、4次實驗數(shù)據(jù)，可以得出的初步結(jié)論是：同種物質(zhì)升高相同溫度時，吸收熱量的多少與物質(zhì)的 有關(guān)。 （2）分析第1、3次或第2、4次實驗數(shù)據(jù)，可以得出的初步結(jié)論是： 。 分析：本探究實驗采用的是“控制變量”的實驗方法，通過回憶所學(xué)熱學(xué)知識和觀察實驗表格可知：影響物質(zhì)吸收熱量多少（即加熱時間的長短）的因素可能有三個，即物質(zhì)的種類、物質(zhì)的質(zhì)量和升高的溫度。 通過分析第1、2次或第3、4次實驗數(shù)據(jù)，可以看出：在這兩次實驗中，使用同一種物質(zhì)，兩次升高的溫度相同，所用物質(zhì)的質(zhì)量不相同，物質(zhì)吸收的熱量不相同。因此得出的初步結(jié)論是：同種物質(zhì)升高相同溫度時，吸收熱量的多少與物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)。 同理，通過分析第1、3次或第2、4次實驗數(shù)據(jù)，可以看出：在兩次實驗中，所用物質(zhì)的質(zhì)量相同，兩次升高的溫度相同，而使用不同的物質(zhì)，物質(zhì)吸收的熱量不相同。因此得出的初步結(jié)論是：質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，升高相同的溫度，吸收的熱量不相同。 研究此類問題，要控制某些因素，使它們保持不變，進(jìn)而尋找另外兩個因素之間的關(guān)系。 參考答案：⑴ 質(zhì)量 ⑵ 質(zhì)量相同的不同物質(zhì)（或水和煤油）升高相同的溫度，吸收的熱量不相同（或加熱的時間不相同）。 以上兩題的解題思路都是采用典型的“控制變量法”來解決的。對于此類問題，一般是先弄清楚影響因素有哪些，再用 “控制變量法的思想”確定實驗或解題思路，最后在總結(jié)結(jié)論時一定要注意先強(qiáng)調(diào)實驗前提，再敘述結(jié)論。如果學(xué)生沒有掌握、理解好“控制變量法”，在解決這些問題時就會顯得很茫然，沒有頭緒，不知從何下手。但在學(xué)生掌握、理解好“控制變量法”后，這類題目的難度并不大。 因此，在物理教學(xué)中要時時不忘對學(xué)生貫穿“控制變量法”的培養(yǎng)，相信學(xué)生一定能運用好“控制變量法”這一科學(xué)方法，在物理學(xué)習(xí)中理解、鞏固好所學(xué)的有關(guān)知識，提高解決實際問題的能力。