例談控制變量法在初中物理中的應用

摘" 要：物理學是一門以實驗為基礎的學科，在研究物理現象和規律時，常常需要采用各種科學方法．文章詳細分析了控制變量法在力學、電學等領域的應用，引導學生掌握物理方法，提升科學素養．

關鍵詞：控制變量法；初中物理；實驗探究；科學思維

中圖分類號：G632""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1008-0333（2024）35-0102-03

收稿日期：2024-09-15

作者簡介：蘇新傳（1979.9—），男，安徽省淮南人，本科，中學一級教師，從事初中物理教學研究.

控制變量法作為一種重要的科學研究方法，在初中物理教學中具有舉足輕重的地位．它能夠幫助學生清晰地認識物理量之間的關系，提高學生的實驗探究能力和科學思維水平．

1" 運用控制變量法探究影響浮力大小的因素

例1" 小明利用實驗探究影響浮力大小的因素．他先用彈簧測力計測出物塊重力的大小，然后掛在彈簧測力計上，并分別浸入水和鹽水中的不同位置，如圖1所示．

（1）比較D和E，可以得出：浮力大小與有關；

（2）根據圖中的實驗數據可知，物塊完全浸沒于水中所受浮力為N；

（3）從物塊底部接觸水面開始到浸沒到更深的位置（未觸底），在圖2中能表示此過程物塊所受浮力F與浸入水中深度h關系的圖像是；（選填“①”或“②”）

（4）根據圖中實驗數據還可以計算出物塊密度為 g/cm3；鹽水的密度為 g/cm3．（ρ水=1.0×103 kg/m3，g=10 N/kg）

（5）實驗中采用了控制變量法的研究方法，下列問題的研究中也用到這種方法的是．（填選項）

A．通過海綿的凹陷程度來反映壓力的作用效果

B．探究聲音不能在真空中傳播

C．我們引入“磁感線”描述磁場的分布情況

D．探究電流與電壓、電阻的關系

解析" （1）由圖中D和E可知，物塊完全浸入水中和鹽水中，其排開水和鹽水的體積相同，由于鹽水和水的密度不同，彈簧測力計示數不同，根據稱重法可知，物塊在水中和鹽水中受到的浮力不同，由此可知：物體受到的浮力大小與液體的密度有關［1］．

（2）由圖中A和D可知，物塊受到的重力為4 N，其完全浸沒水中時，測力計示數為3.5 N，此時物塊的浮力為F浮=G-F示=4 N-3.5 N=0.5 N．

（3）由題意可知，物體開始接觸水面到剛好浸沒的過程中，物體排開水的體積逐漸增大，浮力也逐漸增大，當物體全部浸沒在水中時，物體排開水的體積不變，其受到的浮力也不變，故圖像②符合題意．

（4）由（2）知，物體浸沒在水中受到的浮力為0.5 N，由F浮=ρ液gV排可得，物塊排開水的體積為

V排=F浮gρ水=0.5 N1.0×103 kg/m3×10 N/kg=5×10-5 m3，物塊完全浸沒，其排開水的體積等于其自身體積，則物體體積V=V排=5×10-5 m3，由G=mg可得，物塊的質量為m=Gg=4 N10 N/kg=0.4 kg，則物塊密度為ρ=mV=0.4 kg5×10-5 m3=8 g/cm3．

由圖中A和E可知，物塊受到的重力為4 N，其完全浸沒鹽水中時，測力計示數為3.4 N，此時物塊浮力為F浮′=G-F示′=4 N-3.4 N=0.6 N，物塊的體積不變，其排開鹽水的體積等于其自身體積為V排′=V=5×10-5 m3，由F浮=ρ液gV排可得，鹽水的密度為ρ鹽水=F′浮gV′排=0.6 N10 N/kg×5×10-5 m3=1.2 g/cm3．

（5）本實驗使用了控制變量法．在研究壓力的作用效果的實驗中，由海綿凹陷程度來反映壓力作用的效果，運用的思想方法是轉換法，故A不符合題意；在探究聲音能否在真空中傳播的實驗時，運用推理的方法，故B不符合題意；為了方便研究磁場的分布情況，我們引入“磁感線”，運用模型法，故C不符合題意；探究電流與電壓、電阻的關系，其中研究電流與電壓的關系時，就要控制電阻相同，研究電流與電阻的關系時，就要控制電壓相同，即采用的是控制變量法，故D符合題意．

點評" 本實驗中采用了控制變量法，通過比較圖中D和E的數據，保證排開液體的體積相同，比較液體密度對浮力大小的影響，得到浮力大小與液體密度有關；通過比較圖中B、C和E的數據，確保液體密度相同，改變排開液體的體積，觀察得到浮力的大小與排開液體的體積有關［2］．

2" 運用控制變量法探究影響滑動摩擦力的因素

例2" 在“探究滑動摩擦力與哪些因素有關”的實驗中，實驗小組探究過程如圖3所示.

（1）圖3中的甲、乙、丙是實驗小組三次實驗探究的過程．實驗時，用測力計拉木塊在水平方向上做運動，根據知識可知，這時測力計的示數等于滑動摩擦力的大小；

（2）由甲、乙兩圖得到：當一定時，接觸面越，滑動摩擦力越大．這里用到的實驗方法是；（選填“控制變量法”或“轉換法”）

（3）實驗小組在探究“滑動摩擦力的大小與壓力的關系”時，利用圖中甲、丙兩組數據比較得：“壓力越大，滑動摩擦力就越大”的結論．你認為他們的實驗過程對嗎？理由是．

解析" （1）用測力計顯示拉力大小，實驗時，用測力計拉木塊在水平木板（或毛巾）上做勻速直線運動，由二力平衡條件可知，測力計的示數等于滑動摩擦力的大小．

（2）對比圖中甲、乙可知，乙測力計顯示拉力更大，可知在壓力一定時，接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大，此實驗因控制壓力一定，故實驗方法是控制變量法．

（3）小明要探究的是“滑動摩擦力的大小與壓力的關系”，應控制接觸面的粗糙程度不變，但他利用圖中甲、丙兩組實驗就得出“壓力越大，滑動摩擦力就越大”的結論，這是不合理的，因為這兩組實驗中沒有控制接觸面的粗糙程度相同．

點評" 本實驗中，比較圖中甲、乙，與乙、丙，可以得出結論：滑動摩擦力的大小與壓力和接觸面的粗糙程度都有關，巧妙地運用了控制變量法解決實際問題．

3" 運用控制變量法探究影響電阻大小的因素

例3" 創新實驗小組的同學在學習了歐姆定律后，對探究實驗“影響導體電阻大小的因素”進行了改良，結合實驗室所提供的幾種規格的導體（如表1），設計了如圖4所示的電路圖．

（1）圖4中，將三個電阻串聯是為了控制（選填“電壓”或“電流”）相等；

（2）在探究“導體電阻與橫截面積的關系”時，R1、R2、R3分別選用代號為A、B、C的三段導體，某次讀數，電壓表V1示數為1.5 V、電壓表V2示數為0.7 V，電壓表V3示數如圖5所示，為 V，由歐姆定律分析得出，電壓表示數越大，導體電阻越（選填“大”或“小”），多次調節滑動變阻器重復讀數，可得出結論：材料和長度相同時，橫截面積越大，導體電阻越；（選填“大”或“小”）

（3）在探究“導體電阻與長度的關系”時，選用代號為（填導體代號）的三段導體，重復上述操作，可得出結論；

（4）本實驗的研究方法是控制變量法，請另外寫出一個也利用該研究方法的實驗：．

解析" （1）串聯電路的特點是電流處處相等，圖4中，將三個電阻串聯保證了電流相等．

（2）電壓表V1示數為1.5 V、電壓表V2示數為0.7 V，說明電壓表的量程是0～3 V，分度值為0.1 V，由圖5可知，電壓表的讀數為0.5 V．

由歐姆定律可知，通過三個電阻的電流相等，電壓表示數越大，導體電阻越大，由A、B、C可知，材料和長度相同，C橫截面積最大，即R3的橫截面積最大，電壓表V3示數最小，即R3兩端的電壓最小，R3的阻值最小，可以得到當材料和長度相同時，橫截面積越大，導體的電阻越小．

（3）在探究“導體電阻與長度的關系”時，應該保證導體材料和橫截面積相同，長度不同，結合表格應選擇導體代號為B、D、E三個電阻．

（4）本實驗的研究方法是控制變量法，用到控制變量法的實驗：探究影響壓力作用效果的因素（壓力、受力面積）；探究影響液體壓強大小的因素（液體密度、深度）；探究影響浮力大小的因素（液體密度、排開液體的體積）；探究影響物體動能大小的因素（質量、速度）；探究影響導體電阻大小的因素（材料、長度、橫截面積、溫度）；探究電流與電壓的關系時，電阻不變，改變電阻兩端的電壓．

點評" 研究導體電阻大小與導體的材料、長度、橫截面積的關系時，依次控制其他因素不變，單獨研究某一個因素對電阻大小的影響．本題的第（4）問是開放性問題，教師要引導學生大膽想象，尋找運用控制變量法探究物理量間變化的規律，培養學生的實驗探究能力．

4" 結束語

控制變量法是初中物理學習中一種重要的科學方法，它貫穿于力學、熱學、電學等各個領域的實驗探究和問題解決中．通過控制變量法的學習和應用，不僅能夠提高學生的實驗探究能力和問題解決能力，還能夠培養學生的科學思維和創新能力，為學生今后的學習和發展奠定堅實的基礎．在初中物理教學中，教師應充分重視控制變量法的教學，引導學生熟練掌握和運用這一方法，提高物理教學的質量和效果．

參考文獻：［1］ 張宗文.初中物理電學中控制變量法的應用［J］.中學物理教學參考，2018，47（16）：10-11.

［2］ 謝立君.巧用“控制變量法”，盤活初中物理教學［J］.學生之友（初中版），2012（5）：67.

［責任編輯：李" 璟］