例析“變量控制思想”的實(shí)驗(yàn)考查

王萍華

（江蘇省鎮(zhèn)江市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

例析“變量控制思想”的實(shí)驗(yàn)考查

王萍華

（江蘇省鎮(zhèn)江市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

本文通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)考題，讓學(xué)生了解變量控制思想的基本原理、結(jié)果處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將有助于學(xué)生進(jìn)一步體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的基本過(guò)程，認(rèn)識(shí)變量控制思想在化學(xué)科學(xué)研究和化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用。

變量控制思想；實(shí)驗(yàn)；高考

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，很多的化學(xué)理論都是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)得出的。然而，一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果往往受到很多因素的影響，這些并非單一的因素它們相互交錯(cuò)、共同作用，很容易干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的準(zhǔn)確把握。因此，如何在研究過(guò)程中化繁為簡(jiǎn)，突出主要因素，創(chuàng)設(shè)“理想”的探究環(huán)境，有利于探究實(shí)驗(yàn)的目的，則顯得尤為重要。針對(duì)具有這種特征的探究性問(wèn)題，控制變量思想無(wú)疑是一種很好的探究思想。

控制變量思想作為科學(xué)探究的一種重要思想，受到新課程高考命題的關(guān)注。近2年的新課程高考對(duì)控制變量法的一般程序、結(jié)果的處理以及通過(guò)處理結(jié)果獲得結(jié)論的信息加工能力進(jìn)行了全方位的考查，在一定的實(shí)驗(yàn)情境中考查了學(xué)生對(duì)控制實(shí)驗(yàn)條件方法的掌握程度和運(yùn)用能力。

本文通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)考題，讓學(xué)生了解變量控制思想的基本原理、結(jié)果處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將有助于學(xué)生進(jìn)一步體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的基本過(guò)程，認(rèn)識(shí)控制變量思想在化學(xué)科學(xué)研究和化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用。

一、“變量控制思想”實(shí)驗(yàn)的基本原理

【例1】某探究小組設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁矗?/p>

探究的對(duì)象反應(yīng) C a C O 3+2 H C l＝C a C l 2+C O 2↑+H 2 O控制的可變量 顆粒大小 濃度 溫度控制的不變量 濃度、溫度等 顆粒大小、溫度等 顆粒大小、濃度等實(shí)驗(yàn)方案①C a C O 3(塊狀)+H C l(0.5 m o l/L)與C a C O 3(粉末)+H C l(0.5 m o l/L)②C a C O 3(塊狀)+H C l(3 m o l/L)與C a C O 3(粉末)+H C l(3 m o l/L)兩種方案均在常溫下進(jìn)行①C a C O 3(塊狀)+H C l(0.5 m o l/L)與C a C O 3(塊狀)+H C l(3 m o l/L)②C a C O 3(粉末)+H C l(0.5 m o l/L與C a C O 3(粉末)+H C l(3 m o l/L)兩種方案均在常溫下進(jìn)行①C a C O 3(塊狀)+H C l(0.5 m o l/L)，與 常 溫 下C a C O 3(塊狀)+H C l(3 m o l/L)②C a C O 3(粉末)+H C l(0.5 m o l/L)，與 常 溫 下C a C O 3(粉末)+H C l(3 m o l/L)兩種方案均在加熱下進(jìn)行

解析：對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響的因素有多種可能，如何確定哪些因素有影響、影響的程度怎樣？實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往先控制其他幾個(gè)因素不變，集中研究其中一個(gè)因素變化所產(chǎn)生的影響，依次類推，對(duì)有關(guān)因素逐個(gè)加以判斷，就能找出影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的所有因素，這種思想稱為“變量控制思想”。

所謂“變量”，通?？煞譃閷?shí)驗(yàn)變量與反應(yīng)變量。實(shí)驗(yàn)變量也稱自變量，指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)者所操縱的因素或條件。反應(yīng)變量，亦稱因變量，指實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)變量而引起的變化和結(jié)果。通常，實(shí)驗(yàn)變量是原因，反應(yīng)變量是結(jié)果，兩者具有因果關(guān)系?！白兞靠刂扑枷搿钡膶?shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟讷@得和解釋這種前因后果。

本題主要考查通過(guò)對(duì)分組實(shí)驗(yàn)結(jié)的觀察記錄、比較分析，探究影響反應(yīng)速率的因素，即“變量控制思想”實(shí)驗(yàn)中的自變量。

二、“變量控制思想”考題的結(jié)果處理

實(shí)驗(yàn)編號(hào) 1 2 3 4 5 c(HI)/mol/L 0.100 0.200 0.300 0.100 0.100 c(H2O2)/mol/L 0.100 0.100 0.100 0.200 0.300 v/mol/(L·s) 0.007 60 0.015 3 0.022 7 0.015 1 0.022 8

A.0.038 0 mol/（L·s） B.0.152 mol/（L·s）

C.0.608 mol/（L·s） D.0.760 mol/（L·s）

解析：實(shí)驗(yàn)后，需要將測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)科學(xué)方法的處理，才能得到正確的客觀實(shí)驗(yàn)規(guī)律。圖表法是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的常用方法，包括列表法和作圖法。本題采用的就是列表法，將從實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)律排列成表格，它的優(yōu)點(diǎn)是能使物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系清晰、明了，有助于我們從中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的規(guī)律。本題主要考查通過(guò)“變量控制思想”實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理。

答案：分析表中數(shù)據(jù)可知，反應(yīng)速率與HI和H2O2濃度的乘積成正比，據(jù)此計(jì)算可得B項(xiàng)正確。

三、“變量控制思想”考題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

【例3】（2010年全國(guó)課標(biāo)卷題28） 為了進(jìn)一步研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響（指在硫酸溶液加入硫酸銅的量對(duì)鋅與硫酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣速率的影響---筆者注）該同學(xué)設(shè)計(jì)了如下一系列實(shí)驗(yàn)。將表中所給的混合溶液分別加入到6個(gè)盛有過(guò)量Zn粒的反應(yīng)瓶中，收集產(chǎn)生的氣體，記錄獲得相同體積的氣體所需時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)混合溶液4 m o l/L H 2 S O 4/m L飽和C u S O 4溶液/m L H 2 O/m L A 3 0 0 V 7 B C D E F V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 0.5 2.5 5 V 6 2 0 V 8 V 9 V 10 1 0 0

①請(qǐng)完成此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中：V1＝_____，V6＝_____，V9＝_____；

②反應(yīng)一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)A中的金屬呈_____色，實(shí)驗(yàn)E中的金屬呈_____色；

③該同學(xué)最后得出的結(jié)論為：當(dāng)加入少量溶液時(shí)，生成氫氣的速率會(huì)大大提高。但當(dāng)加入的溶液超過(guò)一定量時(shí)，生成氫氣的速率反而會(huì)下降。請(qǐng)分析氫氣生成速率下降的主要原因_____。

解析：試題設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)情景是：通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響。由于該反應(yīng)生成氫氣的速率，受硫酸的濃度、用量，鋅粒純度、表面積，硫酸銅溶液的濃度、用量等因素的影響。因此，考生必須明白，為研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響，必須依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，控制?shí)驗(yàn)條件（控制變量）。在實(shí)驗(yàn)中只能允許改變硫酸銅的量，保持其他條件不變，才能較快地揭示硫酸銅的量與氫氣生成速率的關(guān)系。

依題設(shè)，硫酸、硫酸銅濃度是定值，題設(shè)沒(méi)有說(shuō)明鋅粒規(guī)格、實(shí)驗(yàn)的溫度、壓強(qiáng)?？梢哉J(rèn)為都是基本相同的。因此，實(shí)驗(yàn)中必須保持除硫酸銅用量外的其他量不變，并有規(guī)律地改變硫酸銅用量。據(jù)此，要保持加入的硫酸溶液體積不變、反應(yīng)溶液總體積不變，并逐步按題設(shè)示意的規(guī)律，增加硫酸銅用量。由此，可以推斷V1＝30，V6＝10，V9＝17.5。

試題的最后一小題，從反應(yīng)實(shí)際出發(fā)，指出在使用硫酸銅的量超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，生成氫氣的速率就不再服從隨加入的溶液增加而大大提高的規(guī)律。要求考生說(shuō)明原因。這一小題，確實(shí)是幫助考生進(jìn)一步理解“變量控制思想”的點(diǎn)睛之筆。

【例4】Fenton法常用于處理含難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水，通常是在調(diào)節(jié)好pH和Fe2+濃度的廢水中加入H2O2，所產(chǎn)生的羥基自由基能氧化降解污染物?，F(xiàn)運(yùn)用該方法降解有機(jī)污染物p-CP，探究有關(guān)因素對(duì)該降解反應(yīng)速率的影響。

[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]控制p-CP的初始濃度相同，恒定實(shí)驗(yàn)溫度在298K或313K（其余實(shí)驗(yàn)條件見下表），設(shè)計(jì)如下對(duì)比試驗(yàn)。請(qǐng)完成以下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表（表中不要留空格）。

實(shí)驗(yàn)編號(hào) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?T/K p H c/1 0-3 m o l·L-1 H 2 O 2 F e 2+①為以下實(shí)驗(yàn)作參考 2 9 8 3 6.0 0.3 0②探究溫度對(duì)降解反應(yīng)速率的影響③2 9 8 1 0 6.0 0.3 0

解析：實(shí)驗(yàn)①是參照實(shí)驗(yàn)，所以與實(shí)驗(yàn)①相比，根據(jù)控制變量思想，實(shí)驗(yàn)②和③只能改變一個(gè)條件，已知實(shí)驗(yàn)②是探究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響，則T=313K，pH=3，c(H2O2)=6.0 mol·L-1，c(Fe2+)=0.30 mol·L-1，與實(shí)驗(yàn)①相比，實(shí)驗(yàn)③顯然是探究pH的大小對(duì)反應(yīng)速率的影響。

答案：②313 3 6.0 0.30 ③探究pH的大小對(duì)反應(yīng)速率的影響。

控制變量思想是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的思想方法，對(duì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素進(jìn)行控制，以達(dá)到明確各因素在實(shí)驗(yàn)中意義的目的。尤其是在研究影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素時(shí)，由于外界影響因素較多，故為弄清某個(gè)因素的影響均需控制其他因素相同或不變時(shí)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，變量控制思想在這部分體現(xiàn)較為充分，在高考題中近幾年也考查較多，且多以探究型實(shí)驗(yàn)題的形式出現(xiàn)。這類題目以實(shí)驗(yàn)為研究手段，模擬科學(xué)探究過(guò)程對(duì)小課題展開研究。盡管涉及因素較多，有其復(fù)雜性，但仍然重在考查學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能、學(xué)生分析能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

［1］陳益.例談新課程高考“變量控制法”實(shí)驗(yàn)的考查［J］.化學(xué)教育，2009，（2）

1008-0546（2011）07-0087-02

G633.8

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10.3969/j.issn.1008－0546.2011.07.041