控制變量法的應(yīng)用

楊佳銘

“控制變量法”是初中物理中常用的探究問題的科學(xué)方法.由于影響物理研究對象的因素在許多情況下并不是單一的，而是多種因素相互交錯、共同起作用的，所以要想精確地把握研究對象的各種特性，弄清事物變化的原因和規(guī)律，必須人為地制造一些條件，便于問題的研究.

例如，當(dāng)一個物理量與幾個因素有關(guān)時，我們一般是分別研究這個物理量與各個因素之間的關(guān)系，再進(jìn)行綜合分析得出結(jié)論.這樣就必須在研究物理量與其中一個因素之間的關(guān)系時，將另外幾個因素人為地控制起來，使它們保持不變，以便觀察和研究該物理量與這個因素之間的關(guān)系，這就是“控制變量”的方法．在聲學(xué)的探究過程中多次運(yùn)用到了控制變量的思想.

例 在學(xué)習(xí)吉他演奏的過程中，小華發(fā)現(xiàn)琴弦發(fā)出聲音的音調(diào)高低是受各種因素影響的，他決定對此進(jìn)行研究.經(jīng)過和同學(xué)們討論，小華提出了以下猜想．

猜想１：琴弦發(fā)出聲音的音調(diào)高低，可能與琴弦的橫截面積有關(guān)．

猜想２：琴弦發(fā)出聲音的音調(diào)高低，可能與琴弦的長短有關(guān)．

猜想３：琴弦發(fā)出聲音的音調(diào)高低，可能與琴弦的材料有關(guān)．

為了驗(yàn)證上述猜想是否正確，他們找到了下表所列９種規(guī)格的琴弦．因?yàn)橐粽{(diào)高低取決于聲源振動的頻率，他們又借來一個能夠測量振動頻率的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（１）為了驗(yàn)證猜想１，應(yīng)選用編號為___________、___________、___________的琴弦進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（２）為了驗(yàn)證猜想２，應(yīng)選用編號為___________、___________、___________的琴弦進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（３）表中有的材料規(guī)格還沒填全，為了驗(yàn)證猜想３，必須知道該項(xiàng)內(nèi)容，請?jiān)诒碇刑钌纤睌?shù)據(jù).

（４）隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，小華又覺得琴弦音調(diào)的高低，可能還與琴弦的松緊程度有關(guān)，為了驗(yàn)證這一猜想，必須進(jìn)行的操作是：___________.

分析 本題是考查弦樂器音調(diào)高低與哪些因素有關(guān)的探究題，利用了物理實(shí)驗(yàn)探究的重要方法之一——控制變量法.

（１）探究琴弦發(fā)聲的音調(diào)與弦的橫截面積的關(guān)系時，應(yīng)控制琴弦的長度、琴弦的材料相同，選擇橫截面積不同的琴弦相比較，即選擇長度、材料相同而橫截面積不同的三根琴弦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故只能選用表中編號為Ａ、Ｂ、Ｃ的琴弦進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（２）探究琴弦發(fā)聲的音調(diào)與弦的長短的關(guān)系，應(yīng)控制琴弦的材料、琴弦的橫截面積相同，選擇長度不同的琴弦相比較，因此只能選用表中編號為Ａ、Ｄ、Ｆ的琴弦進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（３）探究琴弦發(fā)聲的音調(diào)與弦的材料的關(guān)系時，應(yīng)控制琴弦的長度、粗細(xì)相同，選擇不同材料的琴弦相比較．從表中找到銅、鋼、尼龍三種材料，在已知長度和橫截面積的銅材料中，沒有與鋼、尼龍的長度、粗細(xì)都相同的琴弦，只有琴弦Ｅ的規(guī)格沒有填全．因此若想驗(yàn)證猜想３，編號為Ｅ的琴弦長度應(yīng)為８０ ｃｍ，橫截面積為１．０２ ｃｍ２.

（４）想探究琴弦音調(diào)的高低與琴弦的松緊程度的關(guān)系時，可選取一根琴弦，先不拉緊琴弦，撥動琴弦，然后拉緊琴弦，用相同的力撥動琴弦，用測量振動頻率的儀器分別測出相應(yīng)的振動頻率，進(jìn)行分析比較.

練習(xí)

學(xué)習(xí)聲音之后，小李等同學(xué)提出這樣一個問題：二胡、琵琶等弦樂器為什么能演奏出不同音調(diào)？

在認(rèn)真觀察弦樂器之后，他們提出了這樣幾種猜想：①弦樂器的音調(diào)跟弦的長短有關(guān)；②弦樂器的音調(diào)跟弦的松緊有關(guān)；③弦樂器的音調(diào)跟弦的粗細(xì)有關(guān)．

為了研究猜想①是否正確，小李等同學(xué)進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：如圖１所示，將一根胡琴弦的一端繞結(jié)在桌子的腿上，另一端繞過桌邊的小滑輪，掛上幾個鉤碼，使它在桌面上拉緊，并用Ａ、Ｂ兩個三角形柱狀小木塊將弦支起，用一把塑料尺彈撥弦的中部，就可以聽見弦發(fā)出的聲音.在其他條件不變的情況下，改變Ａ、Ｂ間的距離進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)Ａ、Ｂ間的距離越長，音調(diào)越低.

（１）小李通過上述實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是：同一根弦松緊相同時，弦越長音調(diào)越___________.

（２）在實(shí)驗(yàn)過程中，小李要在其他條件不變的前提下，改變Ａ、Ｂ之間的距離，所運(yùn)用的一種研究方法是___________

（３）圖２中，小提琴演員演奏時，手指要在弦上不停地移動，這樣做的作用是什么？

（４）請你將小李他們的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)成能探究猜想③的實(shí)驗(yàn).（寫出實(shí)驗(yàn)的方法和注意點(diǎn)）.

（５）探究過程通常采用下列一些步驟：①分析歸納；②實(shí)驗(yàn)研究；③提出問題（或猜想）；④得出結(jié)論等．你認(rèn)為小李要完成本探究的全過程，所采取步驟的合理順序應(yīng)該是：___________.（只填寫數(shù)字代號）

參考答案：（１）低 （２）控制變量法 （３）改變弦的長度從而改變音調(diào) （４）保持其他條件相同，使用粗細(xì)不同的弦 （５）③②①④

責(zé)任編輯 程 哲