例析“變量控制思想”的實驗考查

王萍華

（江蘇省鎮江市實驗高級中學 江蘇 鎮江 212003）

例析“變量控制思想”的實驗考查

王萍華

（江蘇省鎮江市實驗高級中學 江蘇 鎮江 212003）

本文通過具體的實驗考題，讓學生了解變量控制思想的基本原理、結果處理和實驗設計，將有助于學生進一步體驗實驗探究的基本過程，認識變量控制思想在化學科學研究和化學學習中的重要作用。

變量控制思想；實驗；高考

化學是一門以實驗為基礎的學科，很多的化學理論都是從實驗中總結得出的。然而，一個實驗的結果往往受到很多因素的影響，這些并非單一的因素它們相互交錯、共同作用，很容易干擾對實驗探究的準確把握。因此，如何在研究過程中化繁為簡，突出主要因素，創設“理想”的探究環境，有利于探究實驗的目的，則顯得尤為重要。針對具有這種特征的探究性問題，控制變量思想無疑是一種很好的探究思想。

控制變量思想作為科學探究的一種重要思想，受到新課程高考命題的關注。近2年的新課程高考對控制變量法的一般程序、結果的處理以及通過處理結果獲得結論的信息加工能力進行了全方位的考查，在一定的實驗情境中考查了學生對控制實驗條件方法的掌握程度和運用能力。

本文通過具體的實驗考題，讓學生了解變量控制思想的基本原理、結果處理和實驗設計，將有助于學生進一步體驗實驗探究的基本過程，認識控制變量思想在化學科學研究和化學學習中的重要作用。

一、“變量控制思想”實驗的基本原理

【例1】某探究小組設計了如下實驗。其實驗目的是什么？

探究的對象反應 C a C O 3+2 H C l＝C a C l 2+C O 2↑+H 2 O控制的可變量 顆粒大小 濃度 溫度控制的不變量 濃度、溫度等 顆粒大小、溫度等 顆粒大小、濃度等實驗方案①C a C O 3(塊狀)+H C l(0.5 m o l/L)與C a C O 3(粉末)+H C l(0.5 m o l/L)②C a C O 3(塊狀)+H C l(3 m o l/L)與C a C O 3(粉末)+H C l(3 m o l/L)兩種方案均在常溫下進行①C a C O 3(塊狀)+H C l(0.5 m o l/L)與C a C O 3(塊狀)+H C l(3 m o l/L)②C a C O 3(粉末)+H C l(0.5 m o l/L與C a C O 3(粉末)+H C l(3 m o l/L)兩種方案均在常溫下進行①C a C O 3(塊狀)+H C l(0.5 m o l/L)，與 常 溫 下C a C O 3(塊狀)+H C l(3 m o l/L)②C a C O 3(粉末)+H C l(0.5 m o l/L)，與 常 溫 下C a C O 3(粉末)+H C l(3 m o l/L)兩種方案均在加熱下進行

解析：對化學實驗結果有影響的因素有多種可能，如何確定哪些因素有影響、影響的程度怎樣？實驗時，往往先控制其他幾個因素不變，集中研究其中一個因素變化所產生的影響，依次類推，對有關因素逐個加以判斷，就能找出影響實驗結果的所有因素，這種思想稱為“變量控制思想”。

所謂“變量”，通常可分為實驗變量與反應變量。實驗變量也稱自變量，指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件。反應變量，亦稱因變量，指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結果。通常，實驗變量是原因，反應變量是結果，兩者具有因果關系。“變量控制思想”的實驗目的在于獲得和解釋這種前因后果。

本題主要考查通過對分組實驗結的觀察記錄、比較分析，探究影響反應速率的因素，即“變量控制思想”實驗中的自變量。

二、“變量控制思想”考題的結果處理

實驗編號 1 2 3 4 5 c(HI)/mol/L 0.100 0.200 0.300 0.100 0.100 c(H2O2)/mol/L 0.100 0.100 0.100 0.200 0.300 v/mol/(L·s) 0.007 60 0.015 3 0.022 7 0.015 1 0.022 8

A.0.038 0 mol/（L·s） B.0.152 mol/（L·s）

C.0.608 mol/（L·s） D.0.760 mol/（L·s）

解析：實驗后，需要將測量得到的原始數據，通過科學方法的處理，才能得到正確的客觀實驗規律。圖表法是實驗數據處理的常用方法，包括列表法和作圖法。本題采用的就是列表法，將從實驗中得到的數據按照一定的規律排列成表格，它的優點是能使物理量之間的對應關系清晰、明了，有助于我們從中發現實驗中的規律。本題主要考查通過“變量控制思想”實驗結果的處理。

答案：分析表中數據可知，反應速率與HI和H2O2濃度的乘積成正比，據此計算可得B項正確。

三、“變量控制思想”考題的實驗設計

【例3】（2010年全國課標卷題28） 為了進一步研究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響（指在硫酸溶液加入硫酸銅的量對鋅與硫酸反應產生氫氣速率的影響---筆者注）該同學設計了如下一系列實驗。將表中所給的混合溶液分別加入到6個盛有過量Zn粒的反應瓶中，收集產生的氣體，記錄獲得相同體積的氣體所需時間。

實驗混合溶液4 m o l/L H 2 S O 4/m L飽和C u S O 4溶液/m L H 2 O/m L A 3 0 0 V 7 B C D E F V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 0.5 2.5 5 V 6 2 0 V 8 V 9 V 10 1 0 0

①請完成此實驗設計，其中：V1＝_____，V6＝_____，V9＝_____；

②反應一段時間后，實驗A中的金屬呈_____色，實驗E中的金屬呈_____色；

③該同學最后得出的結論為：當加入少量溶液時，生成氫氣的速率會大大提高。但當加入的溶液超過一定量時，生成氫氣的速率反而會下降。請分析氫氣生成速率下降的主要原因_____。

解析：試題設計的實驗情景是：通過一系列實驗研究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響。由于該反應生成氫氣的速率，受硫酸的濃度、用量，鋅粒純度、表面積，硫酸銅溶液的濃度、用量等因素的影響。因此，考生必須明白，為研究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響，必須依據實驗目的，控制實驗條件（控制變量）。在實驗中只能允許改變硫酸銅的量，保持其他條件不變，才能較快地揭示硫酸銅的量與氫氣生成速率的關系。

依題設，硫酸、硫酸銅濃度是定值，題設沒有說明鋅粒規格、實驗的溫度、壓強。可以認為都是基本相同的。因此，實驗中必須保持除硫酸銅用量外的其他量不變，并有規律地改變硫酸銅用量。據此，要保持加入的硫酸溶液體積不變、反應溶液總體積不變，并逐步按題設示意的規律，增加硫酸銅用量。由此，可以推斷V1＝30，V6＝10，V9＝17.5。

試題的最后一小題，從反應實際出發，指出在使用硫酸銅的量超過一定數值時，生成氫氣的速率就不再服從隨加入的溶液增加而大大提高的規律。要求考生說明原因。這一小題，確實是幫助考生進一步理解“變量控制思想”的點睛之筆。

【例4】Fenton法常用于處理含難降解有機物的工業廢水，通常是在調節好pH和Fe2+濃度的廢水中加入H2O2，所產生的羥基自由基能氧化降解污染物。現運用該方法降解有機污染物p-CP，探究有關因素對該降解反應速率的影響。

[實驗設計]控制p-CP的初始濃度相同，恒定實驗溫度在298K或313K（其余實驗條件見下表），設計如下對比試驗。請完成以下實驗設計表（表中不要留空格）。

實驗編號 實驗目的 T/K p H c/1 0-3 m o l·L-1 H 2 O 2 F e 2+①為以下實驗作參考 2 9 8 3 6.0 0.3 0②探究溫度對降解反應速率的影響③2 9 8 1 0 6.0 0.3 0

解析：實驗①是參照實驗，所以與實驗①相比，根據控制變量思想，實驗②和③只能改變一個條件，已知實驗②是探究溫度對反應速率的影響，則T=313K，pH=3，c(H2O2)=6.0 mol·L-1，c(Fe2+)=0.30 mol·L-1，與實驗①相比，實驗③顯然是探究pH的大小對反應速率的影響。

答案：②313 3 6.0 0.30 ③探究pH的大小對反應速率的影響。

控制變量思想是中學化學實驗中常用的思想方法，對影響實驗結果的因素進行控制，以達到明確各因素在實驗中意義的目的。尤其是在研究影響化學反應速率和化學平衡的因素時，由于外界影響因素較多，故為弄清某個因素的影響均需控制其他因素相同或不變時，再進行實驗。因此，變量控制思想在這部分體現較為充分，在高考題中近幾年也考查較多，且多以探究型實驗題的形式出現。這類題目以實驗為研究手段，模擬科學探究過程對小課題展開研究。盡管涉及因素較多，有其復雜性，但仍然重在考查學生基礎知識和基本技能、學生分析能力和實驗能力。

［1］陳益.例談新課程高考“變量控制法”實驗的考查［J］.化學教育，2009，（2）

1008-0546（2011）07-0087-02

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008－0546.2011.07.041