探討初中物理電學中控制變量法的實際應用

【摘 要】所謂的控制變量法，就是在研究解決問題的過程當中，對影響實物變化規律的條件或者因素進行人為控制，并且每次只改變一個元素，控制其他的元素不變，從而用以分析研究的物理問題和該元素的關系，最后解決問題的辦法。這種方法是科學研究中的重要方法，本文針對初中物理電學中控制變量法的運用主要談談其重要性。

【關鍵詞】歐姆定律；控制變量；電壓；電阻；電流

一、探究物理規律中控制變量法的應用

歐姆定律是電學的基礎和重點，處于電學的核心位置。學生們通過之前的學習掌握了電學的3個基本概念：電流、電壓、電阻。它們之間有怎樣的關系呢？根據新課程標準的要求，教材安排了一個比較完整的探究活動，涵蓋了探究的3個要素。其中重點是如何運用控制變量法來設計整個實驗，明確用什么方法保證什么物理量不變，用什么方法改變什么物理量。

1.控制電阻R不變，改變導體兩端電壓U，探究電流I與電壓U之間的關系

（1）固定電阻值，可保證定值電阻R的阻值不變。

（2）影響導體兩端的電壓值的改變，可用兩種辦法：1.改變電源兩端的電壓，即可改變導體兩端的電壓U。用這個電路，學生能夠較為輕松地運用控制變量的方法研究電流與電壓的關系，易于學生理解和掌握。2.通過調節滑動變阻器，改變電阻R兩端的電壓。要使學生明確研究對象是定值電阻這部分電路，滑動變阻器的作用是為了使定值電阻兩端的電壓發生改變。

2.保持導體兩端的電壓U不變，改變電阻R，研究電流與電阻的關系

（1）用不同的定值電阻可改變電阻R的值。

（2）變動電阻R的同時必須保證導體兩端的電壓不改變，可以采用以下兩種方法：使用同一個電源，即可保證導體兩端的電壓不變，更換不同的電阻，可直接得出電流與電阻的關系，降低了探究的難度。但如果實驗中使用的是干電池，電池有內阻，外接電阻R變化時，電阻R兩端的電壓也會隨之變化，給實驗帶來誤差。換用阻值不同的電阻R時，若滑動變阻器的滑片不動，定值電阻兩端的電壓會發生變化。電壓、電阻都改變，就不能確定究竟是什么因素影響了電流。這一點學生在實驗中容易忽視，教師要注意引導學生觀察電壓表，使其示數保持不變。

經過以上兩個環節的探究，學生得出導體中的電流與導體兩端的電壓和導體的電阻的關系，便水到渠成了。

二、電學習題中控制變量法的運用

1.在比較物理量的大小時用控制變量的思路

例1：已知甲導體的電阻比乙導體的電阻大，把它們并聯在電路中，比較甲的電功率和乙的電功率。簡析：求解電功率的公式比較多：P=UI，P=U2/R，P=I2R，學生分析起來常常感到無從下手。電功率與兩個因素有關。可引導學生用控制變量法的思路解決這類問題。關鍵在于根據題目意思找到起相同作用的因素，只讓一個因素發生變化，再分析電功率與另一個變量之間的關系。具體分析如下：并聯時，各支路兩端電壓相等，所以我們可以選擇P=U2/R或P=UI。已知R甲>R乙，可根據P=U2R直接得出P甲

也可用另一方法：已知R甲>R乙，由并聯電路可知I甲

2.在突破動態電路的難點中運用控制變量的思路

例2：如圖3所示電路，試分析當滑動變阻器的滑片向左移動時，電流表和電壓表的示數如何變化？

簡析：引導學生從U=IR入手，電壓與電流和電阻兩個因素有關，當I、R都發生變化時（R變小，I變大），很難判定U如何變化。此時最好運用控制變量的思路，保證I、R其中一個因素不變，只改變另一個因素。電路中的電流I肯定要發生改變，所以從定值電阻R入手。電路中的電流I變大，R不變，根據歐姆定律可知，R兩端的電壓UR變大。電源電壓不變，UR變大，則UC變小。此電路是電學中的一個典型的電路，很多中考題都是由此題衍生出來的。在分析過程中，學生普遍感到困難，準確率低。學生對滑片向左移動時，滑動變阻器的電阻Rc的變化和電路中電流I的變化比較

容易判斷。但對于UR、UC的變化就感到無從下手。學生明白了這樣分析的原因，就會正確地運用控制變量法來突破難點了。

三、用控制變量法來學習電阻

學生通過之前的學習掌握了電路的兩個基本部分：電流及電壓；緊接著學習電阻，學生的壓力不會很大，但這時學生對科學探究物理的方法還沒什么概念。這時教師會根據課程的要求授完這節課，然后引入“控制變量法”安排一節課，有針對性地講解一些典型例題。

例3：在探究“導體電阻大小與哪些因素有關”的實驗時，將一根粗細均勻的導體截成兩段后分別接入如圖1所示的電路中，這是用來探究（ ）。

A、導體電阻與橫截面積的關系；

B、導體電阻與材料的關系；

C、導體電阻與長度的關系；

D、導體電阻與溫度的關系。

解析：從題中所給的條件看，兩段導體是同一段導體按不同的長度截取的，即它們的材料、橫截面積及溫度是相同的，但是長度不同。這樣學生就很容易得出答案C。

但學生要掌握的是：本題由教材上的演示實驗演化而來，這是中考試題常出現的命題來源，更重要的是，本題中涉及了對控制變量法的理解和應用。

四、在學習電學實驗中利用控制變量法

在總結“電磁鐵磁性的強弱與什么因素有關”的實驗時，我們會用到如下圖所示的例題：

例4，如圖所示，這是小明研究“影響電磁鐵磁性強弱因素”的裝置圖。它由電源、滑動變阻器、開關、帶鐵芯的螺線管和自制的針式刻度板組成。小明在探究過程中發現：

一是當滑動變阻器的滑片P向____滑動時（填“左”或“右”），指針B偏轉的角度將會_____（填“變大”或“變小”）；二是保持滑片P位置不變，當導線a由接線柱2改為與接線柱1相連，閉合開關后，可發現指針B偏轉的角度將會_____（填“變大”或“變小”）。經過對電磁鐵的研究，可得出以下結論：當線圈匝數一定時，通過電磁鐵的電流越大，電磁鐵磁性______；當通過電磁鐵的電流一定時______，電磁鐵線圈的匝數越_____，磁性越_____。本題節選自《經典學法頻道》中習題頻道的一道題。整個實驗過程應采用控制變量法進行研究，但在實驗的第二步中改變了線圈的匝數，同時也改變了螺線管電阻的大小，改變了電路中的電流。所以，在講解這個實驗的第二步時，對學生強調：若線圈的長度不長，電阻忽略不計，當導線a由接線柱2改為與接線1相連，可認為電流不改變，可得到當通過電磁鐵的電流一定時，電磁鐵線圈的匝數越多，磁性越強；若線圈的電阻不可忽略，就應該在電路中串聯一個電流表，當導線a由接線柱2改為與接線1相連，通過調節滑片P，使兩次的電流相同，才能得出結論。

總之，控制變量法作為一種重要的科學研究方式，不僅在物理中得到很好地運用，在生活中也能進行有效滲透，為我們解決各種生活中的難題，通過讓學生在物理電學中掌握好控制變量法，對他們以后的生活和學習也是大有裨益的。

【參考文獻】

[1]劉增利.經典學法頻道：八年級物理（人教版）[M].北京：北京教育出版社，2007

[2]課程教材研究所.物理教師教學用書（八年級下）[M].北京：人民教育出版社，2006

（作者單位：江蘇省張家港市梁豐初級中學）