“控制变量”思想在初中物理解题中的应用

2016-11-14高春礼福州四中桔园洲中学福建福州35000

福建基础教育研究 2016年5期

高春礼（福州四中桔园洲中学，福建福州3 5000 8）

“控制变量”思想在初中物理解题中的应用

高春礼
（福州四中桔园洲中学，福建福州3 5000 8）

控制变量法是指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，而只改变其中的某一个因素，从而研究这个因素对事物的影响，并分别加以研究，最后再综合解决。控制变量思想在初中物理中常应用于探索问题和分析解决问题中；学生通过掌握“控制变量法”的解题方法与思路，达到能自发应用变量控制思想定量研究相关物理规律，达到能熟练应用控制变量思想于更高层次的知识和能力中去，最终达到能自觉而熟练地应用控制变量的思想于所有的科学研究中。

控制变量法；研究对象；实验变量；控制的变量

从亚里士多德时代的自然哲学，到牛顿时代的经典力学，直至现代物理中的相对论、量子力学，物理科学作为自然科学的基础学科，不仅对物质文明的进步和人类对自然界认识的深化起到了重要的推动作用，并且对人类的思维发展起到了不可或缺的影响。这种思维方式的变革所产生的影响超越了科学认识的领域，渗透到人类生活的各个领域，给人类的政治、经济、文化和生活带来了一种新的价值观。基于物理学的课程价值，物理课程标准规定“学生通过义务教育阶段的物理学习，应该具备基本的科学素养”，课程标准中还给定了义务教育阶段物理课程总目标，以是否达到“养成良好的思维习惯，在解决问题或作决定时能尝试运用科学原理和科学研究方法”、以是否“具有初步的科学探究能力”作为判断学生达到总目标的依据。科学研究方法很多，在科学探究中最常用到也是最基本的一种方法是“控制变量法”。

控制变量法是指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，而只改变其中的某一个因素，从而研究这个因素对事物影响，分别加以研究，最后再综合解决的方法。本文尝试通过分析“控制变量”思想在初中物理解题中的应用，进一步提高学生的科学素养，“养成良好的思维习惯，在解决问题或作决定时能尝试运用科学原理和科学研究方法”，提高学生“在实践中有依靠自己科学素养提高工作效率的意识”，养成尊重事实、大胆想象的科学态度和科学精神。

一、应用控制变量思想进行科学探究时需考虑以下几点：

1.确定研究对象

这里所指的研究对象不是一个物体，而是一个物理问题。如“探究影响导体电阻大小的因素”实验中，研究对象就是“导体电阻”；在“探究影响声音的音调”实验中，研究对象是“声音的音调”。

2.明确实验变量和所需要控制的变量

实验变量是指实验探究中要求变化的唯一变量，而所需要控制的变量就是实验探究中保持不变的物理量。如“探究电流大小与导体电阻的关系”中，实验变量是指导体电阻，控制的变量就是所研究的导体除电流外的其余物理量（如导体两端电压）。

3.明确如何保持所控制的变量不变

如在“探究电流大小与导体电阻的关系”中，就要通过移动滑动变阻器保持导体两端电压不变；而在“探究压力的作用效果与物体受力面积的关系”实验中，通过控制压在受力物体上的砝码质量，控制物体所受压力不变。

4.明确如何改变实验变量

如在“探究电流大小与导体电阻的关系”中，就要通过更换所研究的导体从面改变实验变量（为了更好地找出实验规律，建议导体电阻成倍增加或减少）；而在“探究压力的作用效果与物体受力面积的关系”实验中，通过改变长方体立于受力物体上的姿势从面改变受力面积。

5.明确如何观察或测量研究对象

如在“探究电流大小与导体电阻的关系”中应用电流表测量所研究导体的电流；在“探究压力的作用效果与物体受力面积的关系”实验中通过观察受力物体的形变程度，记录压力的作用效果。

二、应用控制变量思想解题时的基本方法与思路

1.学会正确提出问题

《物理课程标准》要求学生“能从日常生活、自然现象或实验现象的观察中发现与物理学有关的问题；能书面表达或口头表述这些问题”。这就要求学生在解题时能从题目给定的情景中（文字情景、图片资料等）发现与物理学有关的问题，并能书面表述这些问题，要求所提出的问题必需是与物理相关的。

（1）从实验现象中提出问题

［例1］图1所示是某校科学兴趣小组为探究自然科学问题所做的实验，请根据实验设计意图提出他们想要探究的问题。图中所探究的问题是：。

（2）从日常生活、自然现象中提出与物理有关的问题

［例2］某同学在海边散步时，看到沙滩中留下许多脚印，这些脚印有的深、有的浅；高跟鞋后跟留下的印痕窄而深，平底鞋留下的印痕宽而浅。请同学们经思考后提出一个相关问题？

分析：本题确定研究对象是“压力作用效果（或说压强）”，实验变量是受力面积。

答案：“压力作用效果与受力面积有什么关系？”

方法总结：这类题型可用“‘研究对象’与‘实验变量’有什么关系”这一模式解答。

2.学会猜想与假设

《物理课程标准》：“尝试根据经验和已有知识对问题的成因提出猜想；对探究的方向和可能出现的实验结果进行推测与假设”。这就要求学生能根据经验和已有知识对题目中提得的问题的成因提出猜想，能对探究的方向和可能出现的实验结果进行推测与假设。所有猜想与假设必需是与物理相关的，必需是合理的，而且要有依据；切忌乱猜。

［例3］图2所示为炜昊同学所做的一次实验，请你根据图中的现象提出一种猜想：。

分析：首先确定研究对象，从图中可知实验研究对象是水蒸发的快慢；其次明确实验变量是温度，需要控制的变量是水表面积及表面空气流速。

答案：相同条件下，水温越高，水蒸发越快（慢）。

方法总结：这类题型可用“相同条件下，‘研究对象’随‘实验变量’变大而变大（或变小）”这一模式解答。

3.学会设计实验

《物理课程标准》中对制定计划与设计实验的要求：“明确探究目的和已知条件，经历制定计划与设计实验的过程；尝试选择科学探究的方法及所需的器材；尝试考虑影响问题的主要因素，有控制变量的初步意识”。

［例4］给你如图3所示器材，（带有四个铁钉的小方桌、沙箱及三个质量不同的重物），请你设计一个实验，探究物体的重力势能与物体的质量关系。

［分析］研究对象为“重力势能”，实验变量为“物体的质量”，控制的变量是“高度”；重力势能无法直接观察或测量，所以应用转换法，把它转换成可直接观察或测量的物理量，因此本题应通过比较小方桌陷入沙中的深度来比较重力势能的大小。

［答案］（1）把小方桌轻放在装有适量沙子的沙箱上；（2）分别让三个质量不同的重物从相同的高度自由落到小方桌上；（3）观察并记录三次实验中小方桌陷入沙中的深度。

解题基本思路：（1）正确摆放实验器材；（2）注意多次实验，注意如何保持“控制变量”不变、如何改变“实验变量”；（2）注意观察并记录“研究对象”，若无法直接观察或测量，则应使用转换法；（4）实验步骤的基本书写方法：用什么，做（测）什么，观察（记）什么。

4.学会应用控制变量思想进行实验

《物理课程标准》要求：“能通过观察和实验收集数据；会使用简单的实验仪器，能正确记录实验数据；具有安全操作的意识”。这就要求学生会正确、规范的使用天平、弹簧测力计、量筒、温度计、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源等实验仪器；会阅读简单仪器的说明书，能按书面说明操作；能通过观察和实验收集数据；能通过阅读信息收集证据；能够评估有关信息的科学性。

解题中应该注意：如何改变“实验变量”、如何控制“所控制的变量”不变、如何观察（测量）“研究对象”，同时要注重物理实验操作的基本方法，注重多次实验的基本物理思想；其方法与设计实验有所相同。

5.学会分析数据和得出结论

“能初步描述实验数据或有关信息；能对收集的信息进行简单的比较；能进行简单的因果推理；能从物理现象和实验中归纳科学规律；能对探究结果进行描述和解释”，这些是《物理课程标准》对学生的要求。在分析数据时，要先判断“果”与“因”间是否存在比例关系，若“研究对象”×“实验变量”=恒量，则“果”与“因”成反比，若“研究对象”/“实验变量”=恒量，则“果”与“因”成正比。书写结论时要注意因果关系，一般有如下三种格式用来书写结论：

结论的基本表达方式

（1）在“控制的变量”相同时，“研究对象”与“实验变量”成比。

注：研究对象×实验变量=恒量，成反比；研究对象/实验变量=恒量，成正比。

（2）在“控制的变量”相同时，“实验变量”越“研究对象”越。

（3）“研究对象”与“实验变量”无关。

［例5］小科同学在探究“压力的作用效果与压力大小的关系”：

（1）应做图4甲和（填“乙”或“丙”）所示实验。

（2）实验能够得到的结论是：。

［分析］研究对象为“压力作用效果”，实验变量为“压力大小”，控制的变量是“受力面积”；因此应选“乙”。比较甲乙两图，海棉受到压力大时形变程度更大；在写结论时一定要注意条件。

［答案］（1）乙（2）受力面积相同时，压力越大压力作用效果越明显。

［例6］小亮在“研究电流跟电压、电阻关系”的实验中，记录了如下表的实验数据：

表1

表2

分析表1数据，可得出结论；分析表2数据，可得出结论。［分析］本题中“研究对象”是“电流”，表1中实验变量为“电压”，控制的变量是“电阻”；由表1可得，所以结论一为“导体电阻一定时，导体中的电流与其两端电压成正比”。而表2中的实验变量是“电阻”，控制的变量是“电压”，且有IR=2，所以结论二为“导体两端电压一定时，导体中的电流与其电阻成反比。

6.学会评价与合作交流

“有评估探究过程和探究结果的意识；能注意假设与探究结果间的差异；能注意探究过程中未解决的矛盾，发现新的问题；尝试改进探究方案；有从评估中吸取经验教训的意识；有准确表述自己观点的意识；能思考别人的意见，改进自己的探究方案”，这是《物理课程标准》对科学探究中“评估”“交流与合作”环节的主要要求，也是在中考考题中便于考查的能力。

评价实验方案存在不足之处，我们一般从以下几个方面考虑：

（1）变量是否控制好；

（2）是否进行了多次实验，以排除实验的偶然性；（3）得出的结论是否科学。

［例7］在探究“电流与导体两端电压的关系”实验中，某同学记录了该实验的有关数据如图5所示。请你分析一下，他的实验存在什么不科学之处呢？

［分析］研究对象是“电流”，实验变量为“电压”，因此控制的变量应为“电阻”；由表中不难看出，本实验没有控制电阻相同。

［答案］没有控制导体电阻相同。

物理学是一门以观察与实验为基础的学科，物理实验是科学探索物理现象的最有效途径；物理思想是进行物理规律探索的先导，在物理实验的各种指导思想中，最重要也是最基本的思想就是“变量控制思想”。能在解决问题中熟练应用“控制变量”的思想，可以提高学生的科学素养，树立正确的科学观，对学生的终身学习和终身发展将有深远的影响。