控制變量法巧解探究題

董文化

作為一種新的題型，探究題經(jīng)常出現(xiàn)在中考試題中，而且越來越頻繁。探究過程主要包括七個要素：提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析和論證、評估、交流與合作。中考往往只是對探究過程中的一個或兩個要素進行考查，但學(xué)生卻要掌握探究過程中的所有七個要素。為了能熟練地掌握解探究題的方法，學(xué)生往往要做大量探究型的題目，卻因不得要領(lǐng)而陷入題海。能否找到一種較為理想的解探究題的方法呢？利用控制變量法就能較好地解決這類問題。

物理學(xué)習(xí)中對于多因素（多變量）的問題，常常采用控制因素（變量）的辦法，把多因素的問題變成多個單因素的問題，分別加以研究，最后再綜合解決，這種方法叫控制變量法。通常，可以用字母來表示控制變量法：某物理量A與物理量B及C有關(guān)，為了研究A與B的關(guān)系，則控制C的大小不變，改變B的大小，觀察A隨B的大小的改變情況；為了研究A與C的關(guān)系，則控制B的大小不變，改變C的大小，觀察A隨C的大小的改變情況；最后，總結(jié)得出A與B、C之間存在的規(guī)律。那么，如何運用控制變量法來解探究題呢？下面結(jié)合一些例題進行說明。

1. 提出問題

如何就題中的探究過程提出問題？解答此類題時，關(guān)鍵是找出影響物理量A的另外兩個量B和C，只有找到這些物理量，才能有針對性地提問。找相關(guān)的物理量時，可以依據(jù)已經(jīng)學(xué)過的知識或試題提供的材料。常用的表述是：物理量A與物理量B及C有關(guān)嗎？

（1）根據(jù)學(xué)過的知識找物理量提問

例1探究“滑動摩擦力的大小跟哪些因素有關(guān)”時，如何提出問題呢？

分析：這個實驗中，物理量A即是滑動摩擦力，影響滑動摩擦力大小A的兩個因素有壓力B和接觸面的粗糙程度C。針對這個實驗的提問可表述為：滑動摩擦力的大小跟壓力大小和接觸面的粗糙程度有關(guān)嗎？

與此類似的還有：探究壓力的作用效果（壓強的大?。┡c哪些因素有關(guān)的實驗，提問為“壓力的作用效果（壓強的大小）與壓力的大小和受力面積有關(guān)嗎？”等等。

（2）從試題內(nèi)容中找物理量提問

例2小紅學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象后思考：產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小與什么有關(guān)呢？于是，她開始做實驗，首先按照課堂上探究電磁感應(yīng)的實驗裝置（如圖1）重新安裝了儀器，并且準備了磁性強弱不同的磁鐵，以便改變磁場的強弱。閉合電路后，她先改變導(dǎo)體在磁場中運動的快慢，觀察電流表擺動的幅度大小，她最后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體在磁場中運動的速度越大，電流表的指針擺動幅度越大；然后她又保持導(dǎo)體的運動速度不變，換用磁性較強的磁鐵來做實驗，發(fā)現(xiàn)磁性越強，電流表指針擺動的幅度越大。對于這個重大的發(fā)現(xiàn)，她高興不已。通過以上的閱讀，請你就小紅的探究進行提問？

分析：從題中可知，物理量A即是感應(yīng)電流的大小，影響它的因素有導(dǎo)體在磁場中運動的速度大小（B）、磁場的強弱（C）。于是，提問可表述為：產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小與導(dǎo)體在磁場中運動的速度及磁場的強弱有關(guān)嗎？

2. 猜想與假設(shè)

猜想與假設(shè)是對探究的方向和可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果進行推測與假設(shè)，是對物理量A與B或物理量A與C之間定量關(guān)系的描述，為接下來的探究指明研究的方向。這個過程的解答與提出問題一樣，必須知道有哪些物理量，只有明確了物理量才能進行猜想或假設(shè)。常用的表述是：當B一定時，物理量C越大則A的值會越小（或越大）；當C一定時，物理量B越大則A的值會越?。ɑ蛟酱螅?/p>

例在生活、生產(chǎn)中，我們常遇到圖2所示的事例：打樁機打樁時重錘被高高拉起又下落，打在樁面上。小軍看到打樁機，思考“重錘對樁面打擊力的大小與什么因素有關(guān)”時，會提出什么合理猜想？

分析：該題中，物理量A是錘對樁面的打擊力，影響重錘對樁面的的打擊力A的物理量重錘的質(zhì)量、重錘所處的高度（或重錘的下落速度）。

找出了物理量，就可以得到合理的猜想是：重錘的質(zhì)量越大，重錘對樁面的打擊力就越大或重錘所處的高度（或下落速度）越大，重錘對樁面的打擊力就越大。

3. 制定計劃與設(shè)計實驗

設(shè)計實驗是對前面的猜想進行具體安排的過程，因為猜想中已經(jīng)對物理量之間可能的關(guān)系有了描述，那么在設(shè)計時則要根據(jù)控制變量法細化每個步驟。一般表述是：控制物理量B的大小不變，改變C的大小，觀察A的大小的變化；控制物理量C的大小不變，改變B的大小，觀察A的大小的變化。

例1物理興趣小組做“探究導(dǎo)體電阻大小與導(dǎo)體長度的關(guān)系” 實驗。他們在如圖3所示電路中的A、B兩點間接入待研究的電阻絲，電源電壓恒定。忽略電阻絲電阻隨溫度變化的影響，待研究的電阻絲的規(guī)格如下表。

（1）他們應(yīng)選擇序號為_________________的兩根電阻絲來研究。

（2）從表中所給電阻絲的規(guī)格看，還可以用這些電阻絲來做另一個探究實驗，即探究導(dǎo)體電阻大小與導(dǎo)體___________________________的關(guān)系，應(yīng)該選擇序號為_____________________的兩根電阻絲來做實驗。

分析：影響導(dǎo)體電阻大小的因素從表中就可以知道，即材料、長度、橫截面積（溫度影響忽略）。本題探究的是“導(dǎo)體電阻大小與導(dǎo)體長度的關(guān)系”，所以，根據(jù)控制變量法，必須控制“材料”與“橫截面積”不變，由此即可確定第（1）問的答案是：3和4。利用控制變量法同樣可以得出第（2）問中第1個空填橫截面積，第2個空填2和4。

例2張慶在學(xué)習(xí)了比熱容的知識后，想知道牛奶與豆?jié){的比熱容哪一個大。他查找了相關(guān)資料但沒有找到這兩種液體的比熱容，于是他又去請教老師。老師把他帶到了實驗室，拿出兩個完全相同的電加熱器、燒杯、溫度計，另外給他兩杯初溫相同的豆?jié){和牛奶，鼓勵他通過實驗尋找答案。

實驗中，他應(yīng)保證牛奶與豆?jié){的質(zhì)量相同、_____________相同，并通過觀察________________________來判斷牛奶與豆?jié){的比熱容大小。

分析：該題中影響比熱容大小的因素有三個（質(zhì)量、溫度、熱量），即物理量A與三個物理量B、C、D之間存在著關(guān)系。題目中已經(jīng)控制了質(zhì)量不變，因此，只需要研究比熱容與溫度及熱量之間的關(guān)系。

答法一：吸收熱量（或加熱時間）；溫度變化量（或末溫）；

答法二：溫度變化量（或末溫）；吸收熱量（或加熱時間）。

4. 進行實驗與收集證據(jù)

該過程主要是依據(jù)設(shè)計好的實驗進行操作，設(shè)計實驗記錄表格，記錄下實驗的有關(guān)數(shù)據(jù)，題目多以填寫表格和設(shè)計表格的形式出現(xiàn)。在解答這類題目時，同學(xué)們往往對設(shè)計表格把握不好。利用控制變量法則可以較好地解決這一問題，設(shè)計實驗記錄表格時，應(yīng)將所有的物理量都設(shè)計進去，并注意表格的科學(xué)性，還要注意設(shè)計多次實驗來減小誤差。

例根據(jù)生活經(jīng)驗，我們猜想：物體溫度升高吸收熱量的多少可能與質(zhì)量和物質(zhì)的種類有關(guān)。為了驗證猜想，我們制定了兩個計劃：

A． 讓研究對象都升高相同的溫度，然后比較它們吸收熱量的多少。

B． 讓研究對象都吸收相同的熱量，然后比較它們升高溫度的高低。

從上述的兩個計劃中，任選一個，將下面的實驗記錄表格設(shè)計完整（表格中空出了三列，你可以只用兩列，也可以用三列；如果你認為你所列的項目要添加數(shù)值，你也可以根據(jù)題意添加）。

我選擇的是（）（選填“A”或“B”），我設(shè)計的實驗表格如下：

分析：該題實際是一個探究不同物質(zhì)吸熱多少與什么因素有關(guān)的題目。根據(jù)控制變量法的原理可以知道，影響吸熱多少的因素有物質(zhì)種類、物體質(zhì)量、升高的溫度。也就是說，表格中應(yīng)反映出四個物理量的數(shù)據(jù)，還缺少“升高的溫度、吸收的熱量”這兩個數(shù)據(jù)，補充表格時，要注意使升高的溫度保持不變（或使加熱時間保持不變）。答案如下：

5. 分析和論證

分析和論證是對實驗中的數(shù)據(jù)進行總結(jié)，并得出結(jié)論，實際上就是對前面提出的猜想或假設(shè)的回答。根據(jù)控制變量法來表述結(jié)論的常用語句是：通過探究得出，物理量A與物理量B、C均有關(guān)，當B不變時，物理量A隨C的增大而增大（或減小）；當C不變時，物理量A隨B的增大而增大（或減?。?。敘述中增加“當B（C）不變時”，是控制變量法在結(jié)論敘述中的具體體現(xiàn)。

例為探究電磁鐵的磁性跟哪些因素有關(guān)，小聰所在的實驗小組用漆包線（表面涂有絕緣漆的導(dǎo)線）在大鐵釘上繞若干圈，制成簡單的電磁鐵，結(jié)合其他實驗器材做了如圖4所示的實驗。（電源電壓相同）

根據(jù)b、c、d中觀察到的情況，完成下面的填空：

（1）通過比較_______兩種情況，可以知道通過的電流越大，電磁鐵的磁性越強。

（2）通過比較d中甲、乙兩個電磁鐵，你能得出的結(jié)論是______________________。

分析：本題中制作電磁鐵的鐵釘是相同的，所以影響電磁鐵磁性強弱的因素只有兩個：一個是電流大小，另一個是電磁鐵上線圈的匝數(shù)。a、b、c及d中乙電磁鐵上的線圈匝數(shù)相同；d中甲、乙兩個電磁鐵的線圈是串聯(lián)的，電流相同；b圖中變阻器電阻比c圖中大，b中電流小于c中電流。根據(jù)電磁鐵吸引小鐵釘?shù)亩嗌?，即可得出答案：?）bc。（2）制作材料相同的電磁鐵，當通過相同的電流時，線圈匝數(shù)越多，磁性越強。

6. 評估與合作交流

探究題對評估和合作交流的考查一般是同時進行的，利用控制變量法解有關(guān)評估與合作交流類題目時，重點是從變量B、C的測量方法是否科學(xué)，設(shè)計的實驗步驟是否會造成較大誤差，設(shè)計的表格是否合理，是否進行了多次實驗，得出的結(jié)論是否科學(xué)等方面進行分析。

例1交流與評估是科學(xué)探究的一個重要環(huán)節(jié)。某校初中八（2）班的同學(xué)，利用如圖5所示的實驗裝置完成了“測滑輪組機械效率”的實驗以后，進行了小組交流。下表是各個小組的實驗數(shù)據(jù)記錄。

請你對表中各個小組的實驗數(shù)據(jù)進行分析比較，回答下列問題：

（1）第1、第2兩個小組的動滑輪重相同，鉤碼重也相同，但是測出的滑輪組的效率卻不同，可能的原因是：

①__________________

_______________________；

②__________________

_______________________。

（2）請你就如何提高滑輪組的機械效率問題提出自己的合理建議：

①_________________________________________；

②_________________________________________；

③_________________________________________。

分析：第（1）問是對實驗步驟操作是否科學(xué)進行考查。答案是：①滑輪和輪與軸之間的摩擦力大小不同；②測量拉力時沒有使彈簧測力計勻速上升，造成測力不準確。第（2）問則是根據(jù)所學(xué)知識及探究的數(shù)據(jù)與同學(xué)進行交流，提出提高機械效率的建議。答案為：①選用較輕的動滑輪組裝滑輪組；②保持良好的潤滑，以減小摩擦力；③對于給定的滑輪組，加大提起物體的重量以提高效率。

例2圖6是某探究實驗中的三個電路圖，請仔細觀察后回答。

夏荷同學(xué)探究出的結(jié)論是：串聯(lián)電路中的總電壓大于任何一個用電器兩端的電壓。秋寧同學(xué)的結(jié)論是：串聯(lián)電路中的總電壓等于各個用電器兩端的電壓之和。對他們的結(jié)論，你如何評估？

分析：兩位同學(xué)的結(jié)論都正確，但秋寧同學(xué)的結(jié)論更全面。秋寧同學(xué)總結(jié)出了串聯(lián)電路中的總電壓與電路中各用電器兩端電壓之間的定量的關(guān)系，包含了夏荷同學(xué)的結(jié)論。