探討初中物理電學(xué)中控制變量法的實(shí)際應(yīng)用

【摘 要】所謂的控制變量法，就是在研究解決問(wèn)題的過(guò)程當(dāng)中，對(duì)影響實(shí)物變化規(guī)律的條件或者因素進(jìn)行人為控制，并且每次只改變一個(gè)元素，控制其他的元素不變，從而用以分析研究的物理問(wèn)題和該元素的關(guān)系，最后解決問(wèn)題的辦法。這種方法是科學(xué)研究中的重要方法，本文針對(duì)初中物理電學(xué)中控制變量法的運(yùn)用主要談?wù)勂渲匾浴?/p>

【關(guān)鍵詞】歐姆定律；控制變量；電壓；電阻；電流

一、探究物理規(guī)律中控制變量法的應(yīng)用

歐姆定律是電學(xué)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，處于電學(xué)的核心位置。學(xué)生們通過(guò)之前的學(xué)習(xí)掌握了電學(xué)的3個(gè)基本概念：電流、電壓、電阻。它們之間有怎樣的關(guān)系呢？根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，教材安排了一個(gè)比較完整的探究活動(dòng)，涵蓋了探究的3個(gè)要素。其中重點(diǎn)是如何運(yùn)用控制變量法來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)，明確用什么方法保證什么物理量不變，用什么方法改變什么物理量。

1.控制電阻R不變，改變導(dǎo)體兩端電壓U，探究電流I與電壓U之間的關(guān)系

（1）固定電阻值，可保證定值電阻R的阻值不變。

（2）影響導(dǎo)體兩端的電壓值的改變，可用兩種辦法：1.改變電源兩端的電壓，即可改變導(dǎo)體兩端的電壓U。用這個(gè)電路，學(xué)生能夠較為輕松地運(yùn)用控制變量的方法研究電流與電壓的關(guān)系，易于學(xué)生理解和掌握。2.通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變電阻R兩端的電壓。要使學(xué)生明確研究對(duì)象是定值電阻這部分電路，滑動(dòng)變阻器的作用是為了使定值電阻兩端的電壓發(fā)生改變。

2.保持導(dǎo)體兩端的電壓U不變，改變電阻R，研究電流與電阻的關(guān)系

（1）用不同的定值電阻可改變電阻R的值。

（2）變動(dòng)電阻R的同時(shí)必須保證導(dǎo)體兩端的電壓不改變，可以采用以下兩種方法：使用同一個(gè)電源，即可保證導(dǎo)體兩端的電壓不變，更換不同的電阻，可直接得出電流與電阻的關(guān)系，降低了探究的難度。但如果實(shí)驗(yàn)中使用的是干電池，電池有內(nèi)阻，外接電阻R變化時(shí)，電阻R兩端的電壓也會(huì)隨之變化，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差。換用阻值不同的電阻R時(shí)，若滑動(dòng)變阻器的滑片不動(dòng)，定值電阻兩端的電壓會(huì)發(fā)生變化。電壓、電阻都改變，就不能確定究竟是什么因素影響了電流。這一點(diǎn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中容易忽視，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生觀察電壓表，使其示數(shù)保持不變。

經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)環(huán)節(jié)的探究，學(xué)生得出導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓和導(dǎo)體的電阻的關(guān)系，便水到渠成了。

二、電學(xué)習(xí)題中控制變量法的運(yùn)用

1.在比較物理量的大小時(shí)用控制變量的思路

例1：已知甲導(dǎo)體的電阻比乙導(dǎo)體的電阻大，把它們并聯(lián)在電路中，比較甲的電功率和乙的電功率。簡(jiǎn)析：求解電功率的公式比較多：P=UI，P=U2/R，P=I2R，學(xué)生分析起來(lái)常常感到無(wú)從下手。電功率與兩個(gè)因素有關(guān)?？梢龑?dǎo)學(xué)生用控制變量法的思路解決這類(lèi)問(wèn)題。關(guān)鍵在于根據(jù)題目意思找到起相同作用的因素，只讓一個(gè)因素發(fā)生變化，再分析電功率與另一個(gè)變量之間的關(guān)系。具體分析如下：并聯(lián)時(shí)，各支路兩端電壓相等，所以我們可以選擇P=U2/R或P=UI。已知R甲>R乙，可根據(jù)P=U2R直接得出P甲

也可用另一方法：已知R甲>R乙，由并聯(lián)電路可知I甲

2.在突破動(dòng)態(tài)電路的難點(diǎn)中運(yùn)用控制變量的思路

例2：如圖3所示電路，試分析當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向左移動(dòng)時(shí)，電流表和電壓表的示數(shù)如何變化？

簡(jiǎn)析：引導(dǎo)學(xué)生從U=IR入手，電壓與電流和電阻兩個(gè)因素有關(guān)，當(dāng)I、R都發(fā)生變化時(shí)（R變小，I變大），很難判定U如何變化。此時(shí)最好運(yùn)用控制變量的思路，保證I、R其中一個(gè)因素不變，只改變另一個(gè)因素。電路中的電流I肯定要發(fā)生改變，所以從定值電阻R入手。電路中的電流I變大，R不變，根據(jù)歐姆定律可知，R兩端的電壓UR變大。電源電壓不變，UR變大，則UC變小。此電路是電學(xué)中的一個(gè)典型的電路，很多中考題都是由此題衍生出來(lái)的。在分析過(guò)程中，學(xué)生普遍感到困難，準(zhǔn)確率低。學(xué)生對(duì)滑片向左移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器的電阻Rc的變化和電路中電流I的變化比較

容易判斷。但對(duì)于UR、UC的變化就感到無(wú)從下手。學(xué)生明白了這樣分析的原因，就會(huì)正確地運(yùn)用控制變量法來(lái)突破難點(diǎn)了。

三、用控制變量法來(lái)學(xué)習(xí)電阻

學(xué)生通過(guò)之前的學(xué)習(xí)掌握了電路的兩個(gè)基本部分：電流及電壓；緊接著學(xué)習(xí)電阻，學(xué)生的壓力不會(huì)很大，但這時(shí)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究物理的方法還沒(méi)什么概念。這時(shí)教師會(huì)根據(jù)課程的要求授完這節(jié)課，然后引入“控制變量法”安排一節(jié)課，有針對(duì)性地講解一些典型例題。

例3：在探究“導(dǎo)體電阻大小與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，將一根粗細(xì)均勻的導(dǎo)體截成兩段后分別接入如圖1所示的電路中，這是用來(lái)探究（ ）。

A、導(dǎo)體電阻與橫截面積的關(guān)系；

B、導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系；

C、導(dǎo)體電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系；

D、導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系。

解析：從題中所給的條件看，兩段導(dǎo)體是同一段導(dǎo)體按不同的長(zhǎng)度截取的，即它們的材料、橫截面積及溫度是相同的，但是長(zhǎng)度不同。這樣學(xué)生就很容易得出答案C。

但學(xué)生要掌握的是：本題由教材上的演示實(shí)驗(yàn)演化而來(lái)，這是中考試題常出現(xiàn)的命題來(lái)源，更重要的是，本題中涉及了對(duì)控制變量法的理解和應(yīng)用。

四、在學(xué)習(xí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中利用控制變量法

在總結(jié)“電磁鐵磁性的強(qiáng)弱與什么因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們會(huì)用到如下圖所示的例題：

例4，如圖所示，這是小明研究“影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱因素”的裝置圖。它由電源、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、帶鐵芯的螺線(xiàn)管和自制的針式刻度板組成。小明在探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：

一是當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片P向____滑動(dòng)時(shí)（填“左”或“右”），指針B偏轉(zhuǎn)的角度將會(huì)_____（填“變大”或“變小”）；二是保持滑片P位置不變，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)a由接線(xiàn)柱2改為與接線(xiàn)柱1相連，閉合開(kāi)關(guān)后，可發(fā)現(xiàn)指針B偏轉(zhuǎn)的角度將會(huì)_____（填“變大”或“變小”）。經(jīng)過(guò)對(duì)電磁鐵的研究，可得出以下結(jié)論：當(dāng)線(xiàn)圈匝數(shù)一定時(shí)，通過(guò)電磁鐵的電流越大，電磁鐵磁性______；當(dāng)通過(guò)電磁鐵的電流一定時(shí)______，電磁鐵線(xiàn)圈的匝數(shù)越_____，磁性越_____。本題節(jié)選自《經(jīng)典學(xué)法頻道》中習(xí)題頻道的一道題。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)采用控制變量法進(jìn)行研究，但在實(shí)驗(yàn)的第二步中改變了線(xiàn)圈的匝數(shù)，同時(shí)也改變了螺線(xiàn)管電阻的大小，改變了電路中的電流。所以，在講解這個(gè)實(shí)驗(yàn)的第二步時(shí)，對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)：若線(xiàn)圈的長(zhǎng)度不長(zhǎng)，電阻忽略不計(jì)，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)a由接線(xiàn)柱2改為與接線(xiàn)1相連，可認(rèn)為電流不改變，可得到當(dāng)通過(guò)電磁鐵的電流一定時(shí)，電磁鐵線(xiàn)圈的匝數(shù)越多，磁性越強(qiáng)；若線(xiàn)圈的電阻不可忽略，就應(yīng)該在電路中串聯(lián)一個(gè)電流表，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)a由接線(xiàn)柱2改為與接線(xiàn)1相連，通過(guò)調(diào)節(jié)滑片P，使兩次的電流相同，才能得出結(jié)論。

總之，控制變量法作為一種重要的科學(xué)研究方式，不僅在物理中得到很好地運(yùn)用，在生活中也能進(jìn)行有效滲透，為我們解決各種生活中的難題，通過(guò)讓學(xué)生在物理電學(xué)中掌握好控制變量法，對(duì)他們以后的生活和學(xué)習(xí)也是大有裨益的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉增利.經(jīng)典學(xué)法頻道：八年級(jí)物理（人教版）[M].北京：北京教育出版社，2007

[2]課程教材研究所.物理教師教學(xué)用書(shū)（八年級(jí)下）[M].北京：人民教育出版社，2006

（作者單位：江蘇省張家港市梁豐初級(jí)中學(xué)）