控制变量法在初中物理解题中的应用.pdf

事物的发展变化会受多种因素的影 响 所以事物的形成 发展变化的方向及趋 势研究就变得很复杂 而这又是我们必须 面对的 因此 研究解决方法就显得特别重 要 控制变量就是解决此类问题的最佳方法 之一 运用 控制变量法 在研究某个问题 如 物理量等 与多种因素的关系时 根据研究 目的 运用一定手段实验仪器 设备等主动 干预 设法把其中的一个或几个因素用人 为的方法控制起来 使它保持不变 造成特 定的便于观察的条件 每次只改变一个因 素 通过分析这个改变的因素与所研究问 题之间的关系 再分析综合得出结论 或规 律 这样做的目的 一方面 可以判定变量 之间是否具有因果联系 另一方面 可以探 究变量之间的真实数量关系 一 耗材使用过程中的控制变量 所谓耗材 是指实验过程中消耗的材 料 虽然伴随着实验进程的展开 耗材要被 不同程度的消耗掉 合理地使用耗材 能保 证问题解决路径的合理性 科学性以及相 关结论的准确性 在研究受多因素影响的物 理现象过程中 需要贯穿明确的控制变量 意识 例1小凡同学在4块相同的玻璃板 上各滴一滴质量相同的水 进行如下图所 示的实验探究 得出水蒸发快慢与水的温 度 水的表面积和水面上方空气流动快慢 有关 1 通过A B两图的对比 可以得出水 蒸发快慢与水的有关 2 通过两图的对比 可以得 出水蒸发快慢与水的温度有关 3 通过A D两图对比 可以得出水蒸 发快慢与有关 解析影响液体蒸发快慢的因素有 液体的温度 液体的表面积 液体上方空 气流动的快慢 因此在探究影响液体蒸发 快慢的具体某一个因素时 必须采用控制 变量法 对比A B两图 在液体的质量 温 度 液体上方空气流动快慢相同时 液体 的表面积大小影响液体蒸发的快慢 对比 A C两图 在液体的质量 液体的表面积 液体上方空气流动快慢相同时 液体的温 度高低影响液体蒸发的快慢 对比A D两 图 在液体的质量 温度 表面积相同时 液体上方空气流动快慢影响液体蒸发的快 慢 例2小明同学学习了燃料的热值后 自己设计一个实验来探究煤油和菜籽油的 热值的大小关系 他组装了如图所示的装置 进行实验 记录结果见下表 1 为了保证实验结论的可靠 小明同 学选择了两套相同装置 在实验中还应控 瞿晓峰 物 理 方 法 专 题 讲 座 67 物 理 方 法 专 题 讲 座 制的相同的量有 说出两点即 可 2 你认为煤油和菜籽油两种燃料 中 热值较大的是 3 小明同学还想利用这种实验方案 计算出煤油和菜籽油的热值 那么小明还 需要补充的实验仪器是 利用此 实验方法计算出的热值将比真实值 选填 偏大 或 偏小 解析以水升温 高低来显现两种燃 油的热值大小关系 这是典型的转化法 与此同时 为了具有可比性 还全面渗透 了控制变量法 影响烧杯中水温上升的因 素很多 燃油的热值 燃油的消耗量 热量 的有效利用率 杯中水量 杯中水的初温 等 要想研究不同燃油的热值大小 必须控 制其他因素的等值 才能把水升温高低与 不同燃油的热值大小直接挂钩 进行由此 及彼的推理 二 器材选择过程中的控制变量 针对物理问题 选择典型 有结构的 实验材料为问题的有效解决奠定了坚实 的物质基础 所谓典型 指的是选择需要 的 有用的 适切的材料 所谓有结构 指 的是注重材料之间的逻辑关系 能够为控 制变量方法的实现提供物质载体 依据多 元猜想中的一点 明确研究的方向 选择 合适的实验器材 为对比研究提供条件 是问题解决的前提和基础 例3在学习演奏小提琴的过程中 小明和同学们发现弦乐器的琴弦发出声 音的音调受很多因素的影响 他们决定对 这种现象进行探究 经讨论后提出以下猜 想 猜想一 琴弦发出声音的音调可能与 琴弦的材料有关 猜想二 琴弦发出声音的音调可能与 琴弦的长短有关 猜想三 琴弦发出声音的音调可能与 琴弦的横截面积有关 为了验证以上猜想是否正确 他们找 到了一些不同规格的琴弦 如下表 1 为 了 验 证 猜 想 一 应 选 用 编 号 为 的琴弦进行实验 2 为 了 验 证 猜 想 二 应 选 用 编 号 为 的琴弦进行实验 3 为了验证猜想三 小明选用编号 为 的琴弦进行实验 则表中缺少的 数据应为 解析影响琴弦发出声音的音调的 因素有 琴弦的材料 琴弦的长短 琴弦的 粗细 横截面积大小 假若两根琴弦材料 长度 粗细都不同 导致发声的音调不同 则哪个因素在其中起到怎样的影响仍不 得而知 在探究琴弦发声的音调与材料之 间的变化关系时 应控制其长度 粗细相 等 在探究琴弦发声的音调与长度之间的 变化关系时 应控制其材料 粗细相等 在 探究琴弦发声的音调与粗细之间的变化 关系时 应控制其材料 长度相等 编号琴弦的材料琴弦的长度 cm 琴弦的横截 面积 mm2 钢200 3 钢0 7 钢400 5 尼龙丝300 5 尼龙丝400 5 68 例4在温度一定的条件下 做 研究 决定导体电阻大小因素 的实验 采用控制 变量的方法 下表给出了实验中所用到的导 体的情况 选择C F两根导体进行对此 是 为了研究导体电阻大小与是否 有关 选择C和两根导体进行 对比 是为了研究导体电阻与长度的关系 为了研究导体电阻与横截面积的关系 应 选择的两根导体是 填写导体 的代号 解析决定导体电阻大小的因素有四 个 材料 长度 横截面积和温度 假若两电 阻的材料 长度 横截面积和温度都不同 导致电阻的阻值不同 则哪个因素在其中 起到怎样的影响仍不得而知 在探究导体 电阻与材料间的具体变化关系时 必须控 制其长度 横截面积和温度相等 在探究 导体电阻与长度间的具体变化关系时 则 控制其材料 横截面积 温度相等 在探究 导体电阻与横截面积间的具体变化关系 时 则控制其材料 长度 温度相等 三 器材组装过程中的控制变量 对于一些复杂问题 具备实验器材是 一方面 合理组装实验器材是更为重要的 一方面 器材之间搭配 组合的品质和效 能 体现着研究过程中的方法要素是否能 够得到具体的落实 当需要对实验装置中的 两个乃至多个器材单元进行同步对比观 察 推理分析时 依据控制变量法则 合理 组装实验器材 能够体现实验条件 为我所 用 的思想 在问题解决过程中达到事半功 倍的效果 例5在探究 影响电磁铁磁性强弱的 因素 的实验中 小明用相同的漆包线和铁 钉绕制成电磁铁A和B 设计了如图所示 的电路 1 电磁铁A B串联的目的是 2 闭合开关S后 分析图中的现象 得出的结论是 3 B铁钉的钉尖是极 若让B 铁钉再多吸一些大头针 滑动变阻器的滑 片P应向 选填 左 或 右 端移动 解析影响电磁铁磁性强弱的因素很 多 电流大小 线圈匝数 铁芯有无 为了探 究线圈匝数多少对电磁铁磁性强弱的影 响 应使用两根同铁芯 不同线圈匝数的电 磁铁做实验 若使用同一根铁芯两次绕线 则铁芯的剩磁会干扰实验效果 所以小明使 用A B两个电磁铁的做法是合理的 电磁 铁A B串联接入电路的做法更是精妙 巧 妙地体现了控制变量意识 使得流经电磁 铁A B线圈的电流等值 当然 将电磁铁A B分别接入电路的做法也是可行的 但是 需要在电路中加入电流表并合理调节滑动 变阻器 这样的做法就违背了简洁 有效的 原则 例6为了探究 电流做功与电压大小 和电流大小的关系 小明特别设计了如图 所示的两个实验 1 图甲采用串联电路 它能研究通电 相同的时间 电流做功与的关系 实 验前 小明选用的两只玻璃瓶 两根玻璃管 和其中灌装煤油的质量都要 选填 相同 或 不同 如果电热丝的电阻阻值 R1 R2 则在通电相同时间后 观察玻璃瓶里 导体代号ABCDEFG 长度 m 1 00 51 50 81 21 50 6 横截面积 mm2 3 20 81 21 01 21 21 2 材料锰钢钨镍铬丝锰钢钨锰钢镍铬丝 69 物 理 方 法 专 题 讲 座 两支玻璃管内变化的大小和 的大小 就能初步得到 在通电时间 电流 都相等时 电压越大 电流做功越多 2 小明要继续探究在通电时间相 同时 电流做功与电流大小的关系 他使用 的器材如图乙所示 电阻丝 煤油与原来 相同 请你用笔画线代替导线 将图中的器 材正确地连接起来 你能正确预期这个实 验中能观察到的现象是 解析影响电流做功的因素有 电 压 电流以及通电时间 小明分别研究电功 与电压以及电功与电流的关系 逐一探索 自变量与因变量之间的逻辑关系 思路是很 清晰的 图甲和图乙都能用开关控制整个 电路的通断 无疑保证了通电时间的等量 为探究电功与电压之间的关系 应保持流 经两个电阻的电流相等 用串联电路来控 制电流变量等值 这一操作方法很科学 为探究电功与电流之间的关系 应保持施 加于两个电阻两端的电压相等 用并联电 路来控制电压变量等值 这一操作方法很 合理 四 实验操作过程中的控制变量 当借助同一套实验器材 反复进行实 验探索时 前后的实验操作之间必然有一 定的逻辑关系 也就是说 动手实践过程 应该是有结构的 实验操作的结构性 体现 在前后操作过程的变与不变的关系上 这 就要求把控制变量意识贯彻落实到行动 中去 例7下列四幅图是小华在探究液体 内部压强实验时的四个场景 除图 杯中 装的是盐水外 其余杯中装的都是水 1 本实验是通过观察压强计左右两 管内液面的的变化而知道压强 大小变化的 2 比较 两幅图 可以得出 3 比较 两幅图 可以得出 4 比较 两幅图 可以得出 同种 液体同一深度 液体内部压强大小跟 无关 解析液体内部压强大小与液体深 度 液体密度有关 与压强方向无关 在实 验探究之前 这种明确的关系还未建立 对同学们来说都 或许 有关 两幅图 体现的实验操作 体现了对液体密度 压 强方向的控制 从而显现液体深度与压强 大小之间的关系 两幅图体现的实验 操作 体现了对压强方向 液体深度的控 制 从而显现液体密度与压强大小之间 的关系 两幅图体现的实验操作 体 现了对液体密度 液体深度的控制 从而 显现压强方向与压强大小之间的关系 实 验操作过程对诸多因素变与不变的控制 70 思路清晰 方法得当 很好 地 体 现 了 贯 彻 控 制 变 量 意 识 提 高 实 验 操作合理性的 思想 例8用如图所示的实验装置测量杠 杆的机械效率 实验时 竖直向上匀速拉动 弹簧测力计 使挂在较长杠杆下面的钩码 缓缓上升 1 实验中 将杠杆拉至图中虚线位 置 测力计的示数F为N 钩码总 重G为1 0N 钩码上升高度h为0 1m 测 力计移动距离s为0 3m 则杠杆的机械效 率为 请写出使用该杠杆做额外 功的一个原因 2 为了进一步研究杠杆的机械效率 与哪些因素有关 一位同学用该实验装置 先后将钩码挂在A B两点 测量并计算得 到下表所示的两组数据 根据表中数据 能否得出 杠杆的机械 效率与所挂钩码的重有关 钩码越重其效 率越高 的结论 答 请简要说明 两条理由 解析影响图中杠杆的机械效率的因 素很多 杠杆的自重 转轴处的摩擦 钩码 的重量 钩码挂点的位置 弹簧测力计提点 的位置 根据表中数据 不能得出 杠杆的机 械效率与所挂钩码的重有关 钩码越重其 效率越高 的结论 从操作1到操作2 钩码 的重量确实加大了 但是 钩码挂点的位置 也同步右移 导致对应力臂的增大 所以 最终 杠杆的效率提高了 这一效果与这两 个因素的相关性则无法分离和识别 合理的 做法应是钩码挂点不动 单纯增加钩码的 重量 自变量和因变量之间的因果关系才 能凸显 五 结果判断过程中的控制变量 物理学科与生产 生活实际以及时代 发展密切联系 同学们在实际情景中 会自 觉 不自觉地用物理的眼光来进行思考与 判断 在某些STS素材分析过程中 合理地 落实控制变量法则 能起到化繁为简 条理 解析的效果 例92011年5月15日 国际田联 110m栏钻石联赛上海站敲响战鼓 冠军争 夺在刘翔和奥利弗之间展开 比赛临近结 束 选手全力冲刺时 观众看到如图所示的 场景 齐声欢呼 刘翔最快 很快 根据表 中所示的比赛成绩 裁判裁定刘翔获胜 观 众和裁判判断刘翔快过奥利弗的方法分别 是 A 观众 相同时间比路程裁判 相同 时间比路程 B 观众 相同时间比路程裁判 相同 路程比时间 C 观众 相同路程比时间裁判 相同 1A点1 50 100 70 3071 4 2B点2 00 151 20 3083 3 次数 钩码悬 挂点 钩码总 重G N 钩码移动 距离h m 拉力 F N 测力计移动 距离s m 机械效率 选手用时 s 刘翔13 07 奥利费13 18 71 第二讲仿真测试参考答案 1 A2 C3 A4 C5 C6 B 7 15 或15 0 不适合 8 液化放 9 蒸发吸收热量 10 内熔化 11 汽化液化 12 凝固放出 13 白雾 汽化需要吸热 有降温作 用14 醋 15 低凝华吸 16 水可以供人饮用等废水净化后 再利用等 17 1 甲吸热 2 空气的湿度 或空气的干燥程度 空气的湿度越 小 或空气越干燥 水的蒸发越快 18 1 92 92 0 2 BC0 3 b 保持不变 4 运用图示装置实验时 水 沸腾后 生成的水蒸气全部离开烧杯 不 可能出现水蒸气吸热升温的过程 19 1 方案B 2 在玻璃杯中装入 适量的该油 插入温度计 放入冰箱 每 隔一分钟观察一次温度计的示数以及油 的状态 3