初中物理控制变量法的深度应用探讨

滕文

【摘 要】控制变量法是初中物理中一种常见且重要的研究问题的方法。理解并掌握控制变量法，对初中生学习物理概念、规律，设计并操作实验有重要作用，有利于培养学生的创新能力和科学素养。本文从实验改进、图象结合、数据分析以及结论评估四个方面简要阐述控制变量法的深度应用。

【关键词】初中物理;控制变量法;深度应用

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）28-0067-02

对于物理学中的多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题，每一次只改变其中的某一个因素，控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，接着对各个因素分别加以研究，最后再综合解决。这就是物理学中的控制变量法。

《义务教育物理课程标准》（以下简称《课标》）提出，科学探究既是学生的學习目标，又是重要的教学方

式[1]。控制变量法就是一种重要的科学探究方法，它可以运用在科学探究的每一个环节。

1   在实验改进中的深度运用

《课标》中对设计实验与评估的要求为“尝试选择科学探究的方法及所需的器材;尝试考虑影响问题的主要因素，有控制变量的意识;尝试改进探究方案”。《课标》中的20个学生必做实验中，大部分都运用了控制变量法，单纯地考查常规性实验设计已经比较少见，更多地转而考查实验设计里的改进部分。

例1：探究影响动能大小的因素的实验，过程如图1所示（h1>h2）。实验中观察到木块移动的距离s1、s2接近，为使现象更明显，下列措施一定可行的是（ ）。

A.增大h1

B.增大h2

C.图1（a）实验用质量更小的木块

D.图1（b）实验用更粗糙的水平面

分析：本实验除了运用控制变量法，还用到了转换法，把小车的动能转化成木块移动的距离长短，这个距离是判定动能大小的关键。本题设计了两次距离接近，且需改进实验设计使现象更明显的情境，这要求学生明确每个选项是改变了哪个量，选项A和B都是改变小车的释放高度，实则改变小车到达水平面的速度，题干中已知h1>h2，那么s1必定大于s2，选项B只会让距离更接近，因此正确答案为选项A。但是，还有一部分学生错选了C和D，选项C确实是可以让s1更大，但是木块作为转换动能大小的关键，木块的质量在两次实验中是不能改变的，同样选项D中水平面的粗糙程度也是不能改变的量，学生容易和影响摩擦力因素的实验混淆。因此在运用控制变量法的过程中，学生不仅需熟知影响物理实验的因素，还需要知道不能改变的因素。

2   结合数据分析的深度运用

《课标》中对收集证据与分析的要求为“能对收集的信息进行简单的比较，能进行简单的因果推理”。初中物理大部分实验的结论停留在定性阶段，即大小的变化趋势，唯独欧姆定律的两个结论是定量的，涉及正比和反比。初中生计算和分析数据的能力不强，但这项能力是学习高中物理应当具备的。

例2：在探究电流与电阻的关系实验中，器材如图2，电源电压为4.5 V且不变，定值电阻R，滑动变阻器

R（50 Ω 1 A），双量程电流表和电压表，导线若干。当定值电阻为10 Ω时，对应的电流表示数为0.15 A，为了测量多组数据，又提供了15 Ω、20 Ω、25 Ω、30 Ω、35 Ω定值电阻各一个，其中      定值电阻不能使用。

分析：在探究通过导体的电流与电阻大小关系时，必须保持电阻两端电压相同。应保持电阻两端的电压为

1.5 V，根据理想电路的分压原理，滑动变阻器分得的电压为3 V，那么定值电阻与滑动变阻器的阻值比为1：2，滑动变阻器的最大阻值为50 Ω，则定值电阻可以接入的最大阻值为25 Ω，因此正确答案为30 Ω、35 Ω。本题也可作另一种改编，如“为了完成实验，滑动变阻器可以如何调整？”总之，学生必须牢牢抓住需要控制的量，以及控制变量之后相关量之间的关系。

3   借助图象论证的深度运用

《课标》中对论证与评估的要求为“尝试对研究结果进行描述和解释，能关注探究活动中出现的新问题”。数理不分家是理科的共识，物理充分利用了数学语言揭示物理知识的性质及其相互关系，图象为表示量之间的关系提供了新方式。

例3：用相同的酒精灯分别对a、b两液体加热，如图3（a），根据测得数据分别描绘出两液体的温度随加热时间变化的图象，如图3（b）。在相同的时间内两液体吸收的热量相等，不计液体热量散失，分别用ma、mb、ca、cb表示a、b两液体的质量和比热容，则结合图中信息作出的下列推断正确的是（ ）。

A.若ma=mb，则ca>cb

B.若ma=mb，则ca

C.若ca=cb，则ma>mb

分析：本题没有采用教材中的种类不同、质量相同的两液体，当加热时间相同时，比较升温的多少或当升高相同的温度，比较加热时间的长短。而是把两液体的信息换成假设出现在选项中，那么坐标中图线的倾斜程度不能完全成为判断比热容大小的依据。当两液体质量相同时，相同的加热时间，升温多的比热容小，则选项B正确;若比热容相同，则两液体为同种液体，根据公式c=

，只可能是质量不同，且升温较多的质量小，则选项C错误。本题难度较大，比热容涉及3个变化因素，坐标中提供了两个，必须关注第三个变化因素的呈现方式。

4   在结论评估中的深度运用

《课标》中对论证与交流的要求为“经历从物理现象和实验中归纳科学规律的过程，有准确表达自己观点的意识”。评价实验方案也是一种灵活运用控制变量法的体现，一般从以下几个方面考虑：①变量是否可控;

②是否进行了多次实验，以排除实验的偶然性;③得出的结论是否科学。

例4：在探究影响滑动摩擦力大小的因素的实验中，如4图所示，图4（a）将毛巾固定在长木板上，木块A平放在毛巾上;图4（b）将木块A平放在长木板上，并在木块A上放一砝码;以上操作均缓缓地匀速拉动木块A，保持弹簧测力计示数稳定，并记录其示数。由图4      （选填“能”或“不能”）证明滑动摩擦力与接触面粗糙程度有关，理由是      。

分析：在探究摩擦力与接触面粗糙程度的关系时，应当控制两次实验中物体对接触面的压力相同，依据上文提到的方法，发现两次实验中物体对接触面的压力并不相同，学生会选择不能，但这样的结论是否科学？图4（b）实验中物体对接触面的压力比图4（a）实验大，但是图4（a）实验中弹簧测力计示数比图4（b）还小，可见示数小的原因为接触面粗糙程度，说明木板更光滑。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.