“控制變量”思想在初中物理解題中的應用

高春禮（福州四中桔園洲中學，福建福州3 5000 8）

“控制變量”思想在初中物理解題中的應用

高春禮
（福州四中桔園洲中學，福建福州3 5000 8）

控制變量法是指物理學中對于多因素（多變量）的問題，常常采用控制因素（變量）的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題，而只改變其中的某一個因素，從而研究這個因素對事物的影響，并分別加以研究，最后再綜合解決。控制變量思想在初中物理中常應用于探索問題和分析解決問題中；學生通過掌握“控制變量法”的解題方法與思路，達到能自發應用變量控制思想定量研究相關物理規律，達到能熟練應用控制變量思想于更高層次的知識和能力中去，最終達到能自覺而熟練地應用控制變量的思想于所有的科學研究中。

控制變量法；研究對象；實驗變量；控制的變量

從亞里士多德時代的自然哲學，到牛頓時代的經典力學，直至現代物理中的相對論、量子力學，物理科學作為自然科學的基礎學科，不僅對物質文明的進步和人類對自然界認識的深化起到了重要的推動作用，并且對人類的思維發展起到了不可或缺的影響。這種思維方式的變革所產生的影響超越了科學認識的領域，滲透到人類生活的各個領域，給人類的政治、經濟、文化和生活帶來了一種新的價值觀。基于物理學的課程價值，物理課程標準規定“學生通過義務教育階段的物理學習，應該具備基本的科學素養”，課程標準中還給定了義務教育階段物理課程總目標，以是否達到“養成良好的思維習慣，在解決問題或作決定時能嘗試運用科學原理和科學研究方法”、以是否“具有初步的科學探究能力”作為判斷學生達到總目標的依據。科學研究方法很多，在科學探究中最常用到也是最基本的一種方法是“控制變量法”。

控制變量法是指物理學中對于多因素（多變量）的問題，常常采用控制因素（變量）的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題，而只改變其中的某一個因素，從而研究這個因素對事物影響，分別加以研究，最后再綜合解決的方法。本文嘗試通過分析“控制變量”思想在初中物理解題中的應用，進一步提高學生的科學素養，“養成良好的思維習慣，在解決問題或作決定時能嘗試運用科學原理和科學研究方法”，提高學生“在實踐中有依靠自己科學素養提高工作效率的意識”，養成尊重事實、大膽想象的科學態度和科學精神。

一、應用控制變量思想進行科學探究時需考慮以下幾點：

1.確定研究對象

這里所指的研究對象不是一個物體，而是一個物理問題。如“探究影響導體電阻大小的因素”實驗中，研究對象就是“導體電阻”；在“探究影響聲音的音調”實驗中，研究對象是“聲音的音調”。

2.明確實驗變量和所需要控制的變量

實驗變量是指實驗探究中要求變化的唯一變量，而所需要控制的變量就是實驗探究中保持不變的物理量。如“探究電流大小與導體電阻的關系”中，實驗變量是指導體電阻，控制的變量就是所研究的導體除電流外的其余物理量（如導體兩端電壓）。

3.明確如何保持所控制的變量不變

如在“探究電流大小與導體電阻的關系”中，就要通過移動滑動變阻器保持導體兩端電壓不變；而在“探究壓力的作用效果與物體受力面積的關系”實驗中，通過控制壓在受力物體上的砝碼質量，控制物體所受壓力不變。

4.明確如何改變實驗變量

如在“探究電流大小與導體電阻的關系”中，就要通過更換所研究的導體從面改變實驗變量（為了更好地找出實驗規律，建議導體電阻成倍增加或減少）；而在“探究壓力的作用效果與物體受力面積的關系”實驗中，通過改變長方體立于受力物體上的姿勢從面改變受力面積。

5.明確如何觀察或測量研究對象

如在“探究電流大小與導體電阻的關系”中應用電流表測量所研究導體的電流；在“探究壓力的作用效果與物體受力面積的關系”實驗中通過觀察受力物體的形變程度，記錄壓力的作用效果。

二、應用控制變量思想解題時的基本方法與思路

1.學會正確提出問題

《物理課程標準》要求學生“能從日常生活、自然現象或實驗現象的觀察中發現與物理學有關的問題；能書面表達或口頭表述這些問題”。這就要求學生在解題時能從題目給定的情景中（文字情景、圖片資料等）發現與物理學有關的問題，并能書面表述這些問題，要求所提出的問題必需是與物理相關的。

（1）從實驗現象中提出問題

［例1］圖1所示是某校科學興趣小組為探究自然科學問題所做的實驗，請根據實驗設計意圖提出他們想要探究的問題。圖中所探究的問題是：。

（2）從日常生活、自然現象中提出與物理有關的問題

［例2］某同學在海邊散步時，看到沙灘中留下許多腳印，這些腳印有的深、有的淺；高跟鞋后跟留下的印痕窄而深，平底鞋留下的印痕寬而淺。請同學們經思考后提出一個相關問題？

分析：本題確定研究對象是“壓力作用效果（或說壓強）”，實驗變量是受力面積。

答案：“壓力作用效果與受力面積有什么關系？”

方法總結：這類題型可用“‘研究對象’與‘實驗變量’有什么關系”這一模式解答。

2.學會猜想與假設

《物理課程標準》：“嘗試根據經驗和已有知識對問題的成因提出猜想；對探究的方向和可能出現的實驗結果進行推測與假設”。這就要求學生能根據經驗和已有知識對題目中提得的問題的成因提出猜想，能對探究的方向和可能出現的實驗結果進行推測與假設。所有猜想與假設必需是與物理相關的，必需是合理的，而且要有依據；切忌亂猜。

［例3］圖2所示為煒昊同學所做的一次實驗，請你根據圖中的現象提出一種猜想：。

分析：首先確定研究對象，從圖中可知實驗研究對象是水蒸發的快慢；其次明確實驗變量是溫度，需要控制的變量是水表面積及表面空氣流速。

答案：相同條件下，水溫越高，水蒸發越快（慢）。

方法總結：這類題型可用“相同條件下，‘研究對象’隨‘實驗變量’變大而變大（或變小）”這一模式解答。

3.學會設計實驗

《物理課程標準》中對制定計劃與設計實驗的要求：“明確探究目的和已知條件，經歷制定計劃與設計實驗的過程；嘗試選擇科學探究的方法及所需的器材；嘗試考慮影響問題的主要因素，有控制變量的初步意識”。

［例4］給你如圖3所示器材，（帶有四個鐵釘的小方桌、沙箱及三個質量不同的重物），請你設計一個實驗，探究物體的重力勢能與物體的質量關系。

［分析］研究對象為“重力勢能”，實驗變量為“物體的質量”，控制的變量是“高度”；重力勢能無法直接觀察或測量，所以應用轉換法，把它轉換成可直接觀察或測量的物理量，因此本題應通過比較小方桌陷入沙中的深度來比較重力勢能的大小。

［答案］（1）把小方桌輕放在裝有適量沙子的沙箱上；（2）分別讓三個質量不同的重物從相同的高度自由落到小方桌上；（3）觀察并記錄三次實驗中小方桌陷入沙中的深度。

解題基本思路：（1）正確擺放實驗器材；（2）注意多次實驗，注意如何保持“控制變量”不變、如何改變“實驗變量”；（2）注意觀察并記錄“研究對象”，若無法直接觀察或測量，則應使用轉換法；（4）實驗步驟的基本書寫方法：用什么，做（測）什么，觀察（記）什么。

4.學會應用控制變量思想進行實驗

《物理課程標準》要求：“能通過觀察和實驗收集數據；會使用簡單的實驗儀器，能正確記錄實驗數據；具有安全操作的意識”。這就要求學生會正確、規范的使用天平、彈簧測力計、量筒、溫度計、電流表、電壓表、滑動變阻器、學生電源等實驗儀器；會閱讀簡單儀器的說明書，能按書面說明操作；能通過觀察和實驗收集數據；能通過閱讀信息收集證據；能夠評估有關信息的科學性。

解題中應該注意：如何改變“實驗變量”、如何控制“所控制的變量”不變、如何觀察（測量）“研究對象”，同時要注重物理實驗操作的基本方法，注重多次實驗的基本物理思想；其方法與設計實驗有所相同。

5.學會分析數據和得出結論

“能初步描述實驗數據或有關信息；能對收集的信息進行簡單的比較；能進行簡單的因果推理；能從物理現象和實驗中歸納科學規律；能對探究結果進行描述和解釋”，這些是《物理課程標準》對學生的要求。在分析數據時，要先判斷“果”與“因”間是否存在比例關系，若“研究對象”ד實驗變量”=恒量，則“果”與“因”成反比，若“研究對象”/“實驗變量”=恒量，則“果”與“因”成正比。書寫結論時要注意因果關系，一般有如下三種格式用來書寫結論：

結論的基本表達方式

（1）在“控制的變量”相同時，“研究對象”與“實驗變量”成比。

注：研究對象×實驗變量=恒量，成反比；研究對象/實驗變量=恒量，成正比。

（2）在“控制的變量”相同時，“實驗變量”越“研究對象”越。

（3）“研究對象”與“實驗變量”無關。

［例5］小科同學在探究“壓力的作用效果與壓力大小的關系”：

（1）應做圖4甲和（填“乙”或“丙”）所示實驗。

（2）實驗能夠得到的結論是：。

［分析］研究對象為“壓力作用效果”，實驗變量為“壓力大小”，控制的變量是“受力面積”；因此應選“乙”。比較甲乙兩圖，海棉受到壓力大時形變程度更大；在寫結論時一定要注意條件。

［答案］（1）乙（2）受力面積相同時，壓力越大壓力作用效果越明顯。

［例6］小亮在“研究電流跟電壓、電阻關系”的實驗中，記錄了如下表的實驗數據：

表1

表2

分析表1數據，可得出結論；分析表2數據，可得出結論。［分析］本題中“研究對象”是“電流”，表1中實驗變量為“電壓”，控制的變量是“電阻”；由表1可得，所以結論一為“導體電阻一定時，導體中的電流與其兩端電壓成正比”。而表2中的實驗變量是“電阻”，控制的變量是“電壓”，且有IR=2，所以結論二為“導體兩端電壓一定時，導體中的電流與其電阻成反比。

6.學會評價與合作交流

“有評估探究過程和探究結果的意識；能注意假設與探究結果間的差異；能注意探究過程中未解決的矛盾，發現新的問題；嘗試改進探究方案；有從評估中吸取經驗教訓的意識；有準確表述自己觀點的意識；能思考別人的意見，改進自己的探究方案”，這是《物理課程標準》對科學探究中“評估”“交流與合作”環節的主要要求，也是在中考考題中便于考查的能力。

評價實驗方案存在不足之處，我們一般從以下幾個方面考慮：

（1）變量是否控制好；

（2）是否進行了多次實驗，以排除實驗的偶然性；（3）得出的結論是否科學。

［例7］在探究“電流與導體兩端電壓的關系”實驗中，某同學記錄了該實驗的有關數據如圖5所示。請你分析一下，他的實驗存在什么不科學之處呢？

［分析］研究對象是“電流”，實驗變量為“電壓”，因此控制的變量應為“電阻”；由表中不難看出，本實驗沒有控制電阻相同。

［答案］沒有控制導體電阻相同。

物理學是一門以觀察與實驗為基礎的學科，物理實驗是科學探索物理現象的最有效途徑；物理思想是進行物理規律探索的先導，在物理實驗的各種指導思想中，最重要也是最基本的思想就是“變量控制思想”。能在解決問題中熟練應用“控制變量”的思想，可以提高學生的科學素養，樹立正確的科學觀，對學生的終身學習和終身發展將有深遠的影響。

圖5

參考方獻：

［1］廖伯琴.物理課程標準解讀［M］.武漢：湖北教育出版社，2002.

［2］賈廷平.控制變量法在解決物理問題中的應用［J］.中學物理，2000（4）.

［3］張慶杰.物理教學中控制變量法［J］.中學生數理化（教與學），2011（8）.

（責任編輯：詹國榮）