控制变量法在初中物理教学中的应用

1、控制变量法在初中物理教学中的应用摘要 :“ 控制变量法”是初中物理中常用的探索问题和分析解决问题的 科学方法之一, 本文就它在教学中的应用作一探讨. 它能将一些复杂的多变量的 物理问题转化为简单的单变量的问题, 将一些多因素的抽象的大问题, 转化为直 观的易于操控的小问题。教学中如果此法应用得当,将会非常地方便、快捷,省 时、 省力, 而且能少走很多不必要的弯路, 减少很多无谓的而且是艰辛的探索之 路,收到事半功倍、一石二鸟的良好效益关键词 :控制变量法 初中物理 教学 应用自然界中发生的各种物理现象往往是错综复杂的, 因此影响物理学研究对象的 因素在许多情况下并不是单一的, 而是多种因素相互

2、交错、 共同起作用的. 譬如 说某段导体中通过电流的大小不仅和其两端电压有关, 还和这段导体的长度、 横 截面积的大小及材料种类等因素有关.所以要想精确地把握研究对象的各种特 性, 弄清事物变化的原因和规律, 单靠自然条件下整体观察研究对象是远远不够 的, 还必须对研究对象施加人为的影响, 造成特定的便于观察的条件, 这就是“控 制变量”的方法. 例如为了研究某物理量同影响它的三个因素中的一个因素之间 的关系, 可将另外两个因素人为地控制起来, 使它们保持不变, 以便观察和研究 该物理量与这一因素之间的关系.所谓控制变量法 , 是把一个多因素影响某一物理量大小的问题 , 通过限定某几 个因素的

3、大小 , 从而转化为一个因素影响某一物理量大小的问题的研究方法 , 这 是初中物理实验中最常见的一种研究方法。 控制变量就是指适时地恰当地控制对 我们所要研究的物理量相关的或会有影响的因素、 条件, 在众多的会引起我们的 物理量发生变化的因素中, 只让要研究的因素 (物理量 发生变化、 发生改变, 看 我们的物理量会如何随着这个因素的改变而改变, 而让其它的暂时不研究的因素 保持不变、保持相同。通过对相关测量数据的深入研究、分析判断、总结归纳, 最后找出这个因素跟我们想要研究的物理量是什么关系,在众多因素的影响中, 这个因素对我们的物理量的影响有多大, 在这些变化中该因素到底占了多大的比 重(

4、贡献等等。研究完一个因素,再用同样的办法去研究另一个因素,直到用 枚举法研究完所有的因素为止,这就是控制变量法的要义与核心。控制变量法在初中物理教学中的应用非常广泛、 非常普遍, 比如日常的物理 规律、 物理定律的教学, 演示实验分组实验的教学, 课内课外师生共同参与或学 生独立进行的各类实验、 探究以及各种复习资料、 练习题册上相关的“比较物理 量大小”等都有控制变量法大显身手、施展手脚的广阔天地。1 控制变量法在物理规律教学中的应用在初中物理教材中, 物理规律形成的过程经常采用的是“控制变量法”。 如:速度、密度、压强、比热容等概念的形成过程,欧姆定律、影响液体蒸发快慢的 因素、 影响电阻

5、大小的因素、 液体内部压强的规律等物理规律的得到等, 都是采 用“控制变量法”来进行研究的。 在初中物理教学中还有许多概念或规律之探索 和推导的实验过程中, 都运用了“控制变量法”这一科学方法, 如在引导学生探 索“导电体中电流大小同其两端电压大小和其电阻大小之间的定性关系, 最终得 出欧姆定律”和探索“力的作用效果同力的哪些因素有关,最终得出力的三要 素”等实验过程中都用到了这一科学方法, 使学生对“控制变量法”不断加深理 解,并逐步达到有意识地去应用的目的. 决定电阻大小的因素有哪些的教学 过程中用到控制变量法, 说明控制变量法在物理规律、 定律等的教学中巧用、 妙 用 (由于该法在演示实

6、验、 分组实验等教学中的应用情况与在物理规律、 定律的 教学中的情况大同小异,这里不再赘述。2 在初中物理实验过程中,控制变量法是一种最常用的、非常有效的探索客 观物理规律的科学方法做法是根据研究目的, 运用一定的手段 (控制实验仪器设备等 主动干预或 控制自然事物、自然现象发生发展的过程,在特定的观察条件下去探索客观规 律. 例如, 在引导学生探索、 研究导电体的电阻的大小同导电体的哪些特性有关 时, 可先故意将横截面积、 长度都不同的一根镍铬合金丝和一根铜丝分别串入接 有小灯泡的直流电路中, 让学生分别观察灯泡发光的亮度, 并问学生:刚才的实 验现象能否说明电阻大小与导电体的某个特性有关?

7、学生经过思考与讨论, 得到 的结论当然是否定的. 再用横截面积和长度都不同的两根镍铬合金丝分别串入上 述电路中, 观察小灯泡的亮度, 并让学生思考这个实验能否说明电阻大小同导电 体的某种特性有关,结论同样是不能.这时就可不失时机地问学生:“那么,我 们应该取怎样的两根金属丝串入上述电路来做这个实验, 以研究导电体的电阻大 小到底与哪些因素有关呢?”同时向学生出示课前准备好的几根金属丝让他们 选择.学生经过思考并相互讨论后,有的回答:应取两根横截面积相同、但长度 不同的镍铬合金丝进行上述实验; 有的同学说:应取两根长度相同、 但横截面积 不同的镍铬合金丝进行上述实验; 还有的说应取长度、 横截面

8、积均相同的一根铜 丝和一根镍铬合金丝进行实验比较. 这时, 教师可适时指出上述几种方法都可以, 同时指出要研究电阻的大小同导电物质的长度、 横截面积、 材料种类这三个因素 任何一个因素间的关系, 就要人为地控制另外两个因素, 使它们相等, 并指出这 种实验的方法就是“控制变量法”,再让学生运用这一方法系统地进行上述实 验, 使学生在实际操作过程中去体验这一科学方法. 下面列举初中物理中运用控 制变量法探究的实验:1、 研究电流与电压、电阻关系。 2、 决定导体电 阻大小因素的探究实验 .(材料、 长度、 横截面积和温度 3、 研究液体蒸发快 慢与什么因素有关的实验。 (液体的温度、液体的表面积

9、和上方空气流速,另外 还与液体的种类有关 4、 研究弦的音调与什么因素有关的实验。(长短、 粗细和松紧 5、 研究电流的热效应与什么因素有关的实验。 (电流的大小、电阻的大小和通电时间长短 6、 研究电流做功与哪些因素有关的实验。 (电 压的高低、电流的大小和通电时间长短 7、 影响滑动摩擦力大小因素的实 验。 (压力的大小, 接触面粗糙程度 8、 影响压力作用效果的探究实验。 (压 力的大小,受力面积的大小 9、 决定浮力大小因素的探究实验。(液体的 密度、 排开液体的体积 10、 决定液体压强大小因素的探究实验。 (液体的密度, 物体所处的深度 11、决定浮力与物体浸没时所处深度关系的探究

10、实验。 (控制 液体的密度与排开液体的体积不变 12、 探究感应电流方向与什么因素有关的实 验。 (切割磁感线方向,磁场方向 13、探究产生的感应电流大小与什么因素有 关的实验。(切割磁感线的速度,磁场的强 14、探究通电导体受力方向与什么 因素有关的实验。 (电流的方向,磁场的方向 15、探究斜面的机械效率与什么 因素有关的实验。 (斜面的倾斜程度,斜面的粗糙程度 16、探究滑轮组的机械 效率与什么因素有关的实验。(物重,动滑轮重,往往不计绳重和机械间摩擦 17、决定动能大小因素的探究实验。 (物体的质量,速度 18、决定重力势能大 小因素的探究实验。 (物体的质量,被举的高度 19、决定弹

11、性势能大小因素的 探究实验。 (材料,弹性形变的大小 20、探究保温材料的保温性能与哪些因素 有关的实验。 (应控制水的质量,水的初温相同;周围环境温度相同 21、探究 电磁铁磁性强弱与哪些因素有关的实验。 (电流的大小,线圈匝数的多少,有无 铁心 22、探究单摆摆动周期与哪些因素有关的实验。 (与摆长,所处地理位置 有关,而与质量、摆角大小无关3 在利用物理知识去分析和解决一些实际问题时, 如能灵活运用 “控制变量法” 进行分析,有时可起到事半功倍的效果在初中物理中,可用“控制变量”去分析和解决的实际问题是很多的,这就 为这一科学方法的教学和应用提供了很好的机会. 例如, 有这样一道题:质量

12、相 同的水和煤油, 吸收相同的热量, 谁的温度升高较大?对于这一道习题, 初看起 来似乎有一定的难度,因为这样简短的一句话中包含了四个相互关联的物理量, 也就是说,要比较谁的温度升高较大,就要同时分析其它三个物理量(质量、热 量、比热容对它的综合影响,如果没有一种科学的分析方法,要解决这样一个 实际问题,不仅费时费力,且准确率不高,但如能对学生加以恰当的引导,让他 们考虑是否可用物理实验中常用的科学方法来解决这道实际问题, 经过思考及同 学间的相互讨论, 许多同学便会想到用 “控制变量法” 结合公式Q=cm t来 解决这个问题,思路是这样的:因为这个问题要解决的是 t(升高的温度的 大小, 所

13、以先将此公式变成 t=Q/cm的形式, 再分析题目发现, m (质量 、 Q(热量相同,即这个问题中 t仅取决于c(比热容,且从 t=Q/c m这一关系式中可以看出, t与c成反比,而水的比热容大于煤油的比热容, 因此很容易得出这个问题的答案是:“煤油升高的温度比水大”.可见,在解决 物理问题时, 如能恰当运用科学方法进行分析, 确实能起到提高解题速度与准确 率的良好效果. 更为重要的是, 通过这一实际问题的解决过程, 使学生对如何应 用 “控制变量法” 等科学方法去分析、 解决问题作了有益的尝试. 在初中物理 (如在力学、电学、热学中,可用“控制变量”这一科学方法去分析解决的实际问 题还很多

14、,这就为学生灵活应用这一科学方法解决问题提供了保证.4 控制变量法在物理教学中的应用不仅于此,在习题教学 (特别是在比较物理 量大小等习题教学 中也有让其大显身手的广阔天地在近年的的各种类型的考试测验(如月考、期中考、期末考、中考等中, 经赏常会出现一种题型:比较物理量的大小。这种题型的出现频率高、分值大, 是各种考试测验中的重要题型, 出现的方式经常是填空、 选择等。 在传统教学中, 学生在解答这类题型时经常是失分严重、错误连连。老师们的讲解不能说不清、 也不能说不透,大家就算绞尽脑汁、想尽办法,可结果还是收效甚微,难以真正 奏效。 问题的关键在哪?原因在于学生并没有掌握解题的诀窍, 不能形

15、成正确的 解题思路。拿着题目,那可真是老虎咬天无从下手,以致老师讲一题,他就 只会一题, 甚至讲了许多题也只会了一两题, 老师讲解时的思路并没有真正进入 学生头脑, 还不是学生自己的思路, 而仍然只是老师的思路。 以后再碰到类似的 题目,学生仍然是茫然无措、一头雾水,仍然是不得要领。这是典型的“老师难 教,学生难学”的费劲的工作,一直以来,大家总处于这种尴尬的境地而束手无 策,总希望能找出一种彻底解决问题的办法。想要摆脱 “比较物理量的大小” 解决过程中的窘境, 控制变量法无疑是一种 不错的选择,一种解决问题的有力武器。这种方法,能够很好地解决上述难题, 为学生快速而准确地解题铺平道路,真正解

16、决心头之患。控制变量法在研究问题时采用的是枚举法, 只让对我们要研究的物理量有影 响的一种因素发生变化, 而其它因素则保持不变, 这就将复杂的问题转化为简单 的问题, 将多变量的问题转化为单变量的问题, 使解决问题的思路变得清晰明朗, 方向变得准确, 使解决问题的过程不再那么窘迫尴尬, 而是变得轻松愉快、 心情 舒畅。所以,控制变量法最大的优点就是针对性强、目的性高、方向性好,让人 一看就知道该怎样做、该如何下手,先做什么、后做什么,容易形成正确的解题 思路,对问题的解决能做到胸有成竹、满有把握。下面的两个例子足以说明此法在习题教学中的作用。 有些题目如果不仔细地 去观察和分析,不一定能看出此

17、法也可以如此应用(比如实例 2,这就需要在 教学中时时用心、多多留意。实例 1:初温相同、质量相等的铜块和铁块吸收同样的热量后,温度高的是 (。A 、铜块 B、铁块 C、都一样 D、无法确定分析 实例 2判断的是初温相同的物体,吸收同样的热量后谁的温度更 高。 由于初温相同, 温度高的温差肯定大, 因此本例可以将比较温度的高低问题 转化为比较温差的大小问题。那么,温差的大小跟哪些因素有关呢?由公式 Q=cm(t0-t或 Q=cmt 可知,温差的大小与物体的质量、比热容、吸收的热量 有关。由于是比较铜块和铁块的温差大小,这就要求比热容不同(可变,而其 它条件必须保持不变 (相同 才能进行比较。

18、再由吸热相等 (Q=cmt 乘积一定 可知:比热容 c 与温差 t 成反比关系(从纯数学的角度看,因此比热容大的温差小,比热容小的温差大。查表可知,铜的比热容小,铁的比热容大,故正确 的选项为 B 答案实例 2:下列关于导线的电阻说法正确的是( A 、长导线比短导线电阻 大 B、粗导线比细导线电阻小 C 、导线中有电流时才有电阻,没有电流时电 阻为零 D 、常温下,粗细长短都相同的铁丝比铝线电阻大分析 本例判断的是电阻的大小问题, 应用控制变量法进行比较将更为方 便、快捷。首先,要明确电阻的大小与哪些因素有关:电阻是导体本身的一种属 性,它的大小只与材料、长度、横截面积、温度有关,而与其它因素

19、无关。选项 A 比较的是电阻的大小与长度的关系, 若应用控制变量法进行比较则必须保证导 线的材料、横截面积、温度都相同。由于选项中只有长度关系,其它因素的关系 未知,故条件不足不能进行判断,选项 A 被排除。同理,选项 B 也只有横截面积 关系(导线粗细,无法比较,也被排除。选项 C 更是牛头不对马嘴,根本与电 阻的大小变化无关。 要知道, 电阻是导体本身的一种属性, 与外在的条件变化无 关(不考虑电流的热效应,不论电压、电流如何变化,电阻的大小都不发生改 变,故选项 C 也被排除。剩下的选项就只有 D 答案了,如果要偷懒的话,直接把 选项 D 填上去就可以了,但为了明白起见,还是有必要用同样的办法进行比较。 选项 D 中的 “常温下” 亦即不考虑温度对电阻的影响, 因常温下电阻的变化微乎 其微,可以忽略,以后只要看到“常温下”这样的字眼,就都可以不考虑温度对 电阻的影响了。排除了温度对电阻的影响,需要考虑的因素就只有材料