初中物理控制變量法的深度應用探討

滕文

【摘 要】控制變量法是初中物理中一種常見且重要的研究問題的方法。理解并掌握控制變量法，對初中生學習物理概念、規律，設計并操作實驗有重要作用，有利于培養學生的創新能力和科學素養。本文從實驗改進、圖象結合、數據分析以及結論評估四個方面簡要闡述控制變量法的深度應用。

【關鍵詞】初中物理;控制變量法;深度應用

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2021）28-0067-02

對于物理學中的多因素（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，每一次只改變其中的某一個因素，控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，接著對各個因素分別加以研究，最后再綜合解決。這就是物理學中的控制變量法。

《義務教育物理課程標準》（以下簡稱《課標》）提出，科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方

式[1]。控制變量法就是一種重要的科學探究方法，它可以運用在科學探究的每一個環節。

1? ?在實驗改進中的深度運用

《課標》中對設計實驗與評估的要求為“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，有控制變量的意識;嘗試改進探究方案”。《課標》中的20個學生必做實驗中，大部分都運用了控制變量法，單純地考查常規性實驗設計已經比較少見，更多地轉而考查實驗設計里的改進部分。

例1：探究影響動能大小的因素的實驗，過程如圖1所示（h1>h2）。實驗中觀察到木塊移動的距離s1、s2接近，為使現象更明顯，下列措施一定可行的是（ ）。

A.增大h1

B.增大h2

C.圖1（a）實驗用質量更小的木塊

D.圖1（b）實驗用更粗糙的水平面

分析：本實驗除了運用控制變量法，還用到了轉換法，把小車的動能轉化成木塊移動的距離長短，這個距離是判定動能大小的關鍵。本題設計了兩次距離接近，且需改進實驗設計使現象更明顯的情境，這要求學生明確每個選項是改變了哪個量，選項A和B都是改變小車的釋放高度，實則改變小車到達水平面的速度，題干中已知h1>h2，那么s1必定大于s2，選項B只會讓距離更接近，因此正確答案為選項A。但是，還有一部分學生錯選了C和D，選項C確實是可以讓s1更大，但是木塊作為轉換動能大小的關鍵，木塊的質量在兩次實驗中是不能改變的，同樣選項D中水平面的粗糙程度也是不能改變的量，學生容易和影響摩擦力因素的實驗混淆。因此在運用控制變量法的過程中，學生不僅需熟知影響物理實驗的因素，還需要知道不能改變的因素。

2? ?結合數據分析的深度運用

《課標》中對收集證據與分析的要求為“能對收集的信息進行簡單的比較，能進行簡單的因果推理”。初中物理大部分實驗的結論停留在定性階段，即大小的變化趨勢，唯獨歐姆定律的兩個結論是定量的，涉及正比和反比。初中生計算和分析數據的能力不強，但這項能力是學習高中物理應當具備的。

例2：在探究電流與電阻的關系實驗中，器材如圖2，電源電壓為4.5 V且不變，定值電阻R，滑動變阻器

R（50 Ω 1 A），雙量程電流表和電壓表，導線若干。當定值電阻為10 Ω時，對應的電流表示數為0.15 A，為了測量多組數據，又提供了15 Ω、20 Ω、25 Ω、30 Ω、35 Ω定值電阻各一個，其中? ? ? 定值電阻不能使用。

分析：在探究通過導體的電流與電阻大小關系時，必須保持電阻兩端電壓相同。應保持電阻兩端的電壓為

1.5 V，根據理想電路的分壓原理，滑動變阻器分得的電壓為3 V，那么定值電阻與滑動變阻器的阻值比為1：2，滑動變阻器的最大阻值為50 Ω，則定值電阻可以接入的最大阻值為25 Ω，因此正確答案為30 Ω、35 Ω。本題也可作另一種改編，如“為了完成實驗，滑動變阻器可以如何調整？”總之，學生必須牢牢抓住需要控制的量，以及控制變量之后相關量之間的關系。

3? ?借助圖象論證的深度運用

《課標》中對論證與評估的要求為“嘗試對研究結果進行描述和解釋，能關注探究活動中出現的新問題”。數理不分家是理科的共識，物理充分利用了數學語言揭示物理知識的性質及其相互關系，圖象為表示量之間的關系提供了新方式。

例3：用相同的酒精燈分別對a、b兩液體加熱，如圖3（a），根據測得數據分別描繪出兩液體的溫度隨加熱時間變化的圖象，如圖3（b）。在相同的時間內兩液體吸收的熱量相等，不計液體熱量散失，分別用ma、mb、ca、cb表示a、b兩液體的質量和比熱容，則結合圖中信息作出的下列推斷正確的是（ ）。

A.若ma=mb，則ca>cb

B.若ma=mb，則ca

C.若ca=cb，則ma>mb

分析：本題沒有采用教材中的種類不同、質量相同的兩液體，當加熱時間相同時，比較升溫的多少或當升高相同的溫度，比較加熱時間的長短。而是把兩液體的信息換成假設出現在選項中，那么坐標中圖線的傾斜程度不能完全成為判斷比熱容大小的依據。當兩液體質量相同時，相同的加熱時間，升溫多的比熱容小，則選項B正確;若比熱容相同，則兩液體為同種液體，根據公式c=

，只可能是質量不同，且升溫較多的質量小，則選項C錯誤。本題難度較大，比熱容涉及3個變化因素，坐標中提供了兩個，必須關注第三個變化因素的呈現方式。

4? ?在結論評估中的深度運用

《課標》中對論證與交流的要求為“經歷從物理現象和實驗中歸納科學規律的過程，有準確表達自己觀點的意識”。評價實驗方案也是一種靈活運用控制變量法的體現，一般從以下幾個方面考慮：①變量是否可控;

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4：在探究影響滑動摩擦力大小的因素的實驗中，如4圖所示，圖4（a）將毛巾固定在長木板上，木塊A平放在毛巾上;圖4（b）將木塊A平放在長木板上，并在木塊A上放一砝碼;以上操作均緩緩地勻速拉動木塊A，保持彈簧測力計示數穩定，并記錄其示數。由圖4? ? ? （選填“能”或“不能”）證明滑動摩擦力與接觸面粗糙程度有關，理由是? ? ? 。

分析：在探究摩擦力與接觸面粗糙程度的關系時，應當控制兩次實驗中物體對接觸面的壓力相同，依據上文提到的方法，發現兩次實驗中物體對接觸面的壓力并不相同，學生會選擇不能，但這樣的結論是否科學？圖4（b）實驗中物體對接觸面的壓力比圖4（a）實驗大，但是圖4（a）實驗中彈簧測力計示數比圖4（b）還小，可見示數小的原因為接觸面粗糙程度，說明木板更光滑。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.