對高中物理比值定義法和控制變量法的研究

趙亞娜

[摘 要]物理學(xué)的發(fā)展離不開科學(xué)的思維方式和研究方法，在中學(xué)物理教學(xué)過程滲透科學(xué)研究方法有助于學(xué)生核心素養(yǎng)的形成。文章闡述比值定義法和控制變量法在物理概念、規(guī)律和實驗教學(xué)中的應(yīng)用，幫助學(xué)生逐步建立物理觀念，形成科學(xué)態(tài)度和價值觀。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)方法教學(xué)；比值定義法；控制變量法

[中圖分類號] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）29-0045-02

一、比值定義法和控制變量法的概念

比值定義法，是用兩個或多個基本物理量的“比”來定義一個新的物理量的方法。其特點是：被定義的物理量往往能反映物質(zhì)的本質(zhì)屬性，盡管它是用實驗尋求二個或二個以上的物理量的比值來定義，但不隨這些量的取舍或改變而改變。比值定義法一般有兩類，一類是定義物質(zhì)或物質(zhì)屬性特征的物理量，例如 ，用檢驗電荷在電場中受到的力與檢驗電荷電量的比來定義場強(qiáng)；另一類是描述物體運(yùn)動特征或狀態(tài)特征的物理量，例如，用速度變化量與發(fā)生這一變化所用時間的比值來定義加速度等。

控制變量法，是在研究某個物理量（因變量）與多個物理量（自變量）之間的關(guān)系時，先把一個或幾個物理量控制起來保持不變，進(jìn)而探究該物理量與單個物理量之間關(guān)系的方法。在分別得到因變量與每個自變量的關(guān)系后，歸納總結(jié)得出最終結(jié)論。例如 ，探究滑動摩擦力與壓力和接觸面之間的關(guān)系，探究電流的熱效應(yīng)與電流、電阻及時間的關(guān)系等。

二、比值定義法和控制變量法的異同點

比值定義法和控制變量法都始于比較，比較是人們探索物理學(xué)最基礎(chǔ)的認(rèn)知方法。

比值定義法的教學(xué)流程如下：在探究教學(xué)中建立一個新的物理概念時，先從這個概念的物理意義入手進(jìn)行比較，引導(dǎo)學(xué)生在已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中找到一個和該物理量意義相關(guān)的量進(jìn)行比較，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，隨后幫助學(xué)生確定謬誤產(chǎn)生的根源（如比較時未能選取相同的標(biāo)準(zhǔn)等），接下來用除法進(jìn)行處理，借助比值的形式，通過邏輯推理、抽象思維等活動最終結(jié)合多組數(shù)據(jù)及學(xué)生的生活經(jīng)驗詮釋比值的含義?？梢?，比值定義法屬于建立物理概念的方法。

控制變量法的教學(xué)流程是：在探究教學(xué)中研究一個物理量與多個物理量之間的關(guān)系時，首先讓學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)知猜想影響因變量的因素，隨后設(shè)計實驗進(jìn)行驗證，得出因變量與每個自變量的關(guān)系，最后歸納總結(jié)得出結(jié)論?？梢?，控制變量法屬于解決物理問題的方法。

三、比值定義法和控制變量法在教學(xué)中的應(yīng)用

1.利用比值定義法建立電容的定義式

在電容器的充放電實驗中，學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識到電容器兩端加上電壓便能容納電荷?？蓪τ诓煌碾娙萜魅绾魏饬克麄?nèi)菁{電荷的本領(lǐng)呢？人們通常會提出比較電容器的帶電量的多少來判斷容納電荷本領(lǐng)的假設(shè)。隨后師生設(shè)計實驗驗證。選取兩個標(biāo)明規(guī)格且不同容量的電容器，接入電路進(jìn)行帶電量多少的比較。當(dāng)所加電壓不同時可以出現(xiàn)容量大的電容器帶電量少，而容量小的電容器帶電量多的現(xiàn)象。這與學(xué)生之前的認(rèn)知不符，可見通過比較極板帶電量多少來衡量電容器容納電荷本領(lǐng)的做法是錯誤的，為接下來的教學(xué)埋下了伏筆。組織學(xué)生分組討論問題產(chǎn)生原因，引導(dǎo)學(xué)生得出是電容器所加電壓不同而產(chǎn)生的。解決該問題最簡單的方法就是取單位電壓。用極板電量Q除以相應(yīng)的電壓U得到單位電壓下極板所攜帶的電量，即以比值的形式進(jìn)行比較。再次實驗驗證，大電容器Q與U的比值的確大于小電容器Q與U的比值，與事實相符。這個比值的含義是什么呢？

為探究比值的含義，充分說明問題，給電容器兩端施加不同數(shù)值的電壓，分別計算比值的大小，發(fā)現(xiàn)比值不變，和極板帶電量及兩端電壓無關(guān)，只與電容器本身有關(guān)。這個比值反映了電容器容納電荷本領(lǐng)的強(qiáng)弱，比值越大單位電壓下極板攜帶的電量就越多，該比值被稱為電容器的電容，用字母C表示，C=[Q]/U。

2.利用控制變量法引入電容的決定式

學(xué)習(xí)了電容器的電容后，接下來就要探究影響平行板電容器電容的因素。學(xué)生認(rèn)可的探究程序是：提出問題—進(jìn)行猜想或假設(shè)—實驗驗證—得出結(jié)論。首先進(jìn)行實物展示，讓學(xué)生觀察平行板電容器的外形，重點了解兩塊極板和板間介質(zhì)，猜想影響平行板電容器電容大小的因素，引導(dǎo)學(xué)生將關(guān)注點落到板間介質(zhì)、板間距離、板間正對面積三個因素。當(dāng)一個物理量與三個變量都存在相應(yīng)關(guān)系時該如何研究？學(xué)生回答：用控制變量法。師生共同設(shè)計實驗：保持極板上帶電量Q和板間介質(zhì)層不變，兩極板間距離d也不變，改變兩極板的正對面積S，通過靜電計指針的變化得知兩極板間電勢差的變化。根據(jù)C=[Q]/U，由電勢差的變化判斷電容的變化，從而得知電容C與正對面積S成正比。同理可得電容C與板間距離d成反比。總結(jié)歸納后，向?qū)W生介紹，當(dāng)平行板電容器的兩極板間電介質(zhì)的相對介電常數(shù)為ε時，電容C與極板的正對面積S、極板距離d及電介質(zhì)的關(guān)系為C=[εS4πkd]。

四、對比值定義法和控制變量法的深度思考

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-1中《磁感應(yīng)強(qiáng)度》一節(jié)，教科書采用先通過控制變量法探究影響通電導(dǎo)線受力的因素，得出關(guān)系式F∝IL，再將關(guān)系式變?yōu)榈仁紽=BIL，再通過數(shù)學(xué)變換得到物理量B=[FIL]。這實際上造成了控制變量法的濫用，磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的得出很不充分，影響了學(xué)生形成正確的物理觀念。

在“磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小”部分，教科書從探究影響通電導(dǎo)線受力的因素出發(fā)。安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I、導(dǎo)線長度L都有關(guān)系，教材中采用控制變量法。的確，力是很多物理概念建立的切入點。根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知情況，容易通過判斷通電直導(dǎo)線在磁場中受力的大小來判斷磁場的強(qiáng)弱，進(jìn)而得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。不妨先假設(shè)學(xué)生的判斷正確，一起設(shè)計實驗探究，但是應(yīng)當(dāng)立足于比較導(dǎo)線受力大小，把探究影響通電導(dǎo)線受力因素的思路轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^通電導(dǎo)線在磁場中受力大小的思路。即本節(jié)中重要的科學(xué)方法不是控制變量法，而是比值定義法，這才是本節(jié)課的核心思想。

實驗設(shè)計如下：將一段導(dǎo)線作為試探物，垂直磁場放入強(qiáng)弱不同的兩處磁場中，暫時肯定學(xué)生的假設(shè)，以力的大小來判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。教師提前設(shè)置好導(dǎo)線長度和通入電流的大小，使實驗結(jié)果“是一段短的但電流大的導(dǎo)線在強(qiáng)磁場中受到的安培力比一段長的但電流小的導(dǎo)線在弱磁場受到的安培力小”這與學(xué)生的日常生活經(jīng)驗矛盾，引起認(rèn)知沖突。教師繼續(xù)引導(dǎo)，這樣直接比較的錯誤根源在于沒有選取相同的標(biāo)準(zhǔn)。接下來選取長度相同且通以相同電流的長直導(dǎo)線垂直磁場置于強(qiáng)、弱磁場中，利用數(shù)學(xué)上的除法，標(biāo)準(zhǔn)化為單位長度并通以單位電流得到[FIL]。強(qiáng)磁場中[FIL]大，弱磁場中[FIL]小。這個比值的含義是什么呢？

為探究這個比值的含義，選擇多組不同規(guī)格的直導(dǎo)線，比較它們在強(qiáng)、弱磁場中的受力，量化分析比值的內(nèi)涵。強(qiáng)磁場對應(yīng)的[FIL]是定值，弱磁場對應(yīng)的[FIL]是另一個不同的定值，比值與受力并無關(guān)系。由此得出該比值只與磁場本身有關(guān)，反映了磁場的強(qiáng)弱，我們稱之為“磁感應(yīng)強(qiáng)度”， 用字母B表示，B=[FIL]。

五、結(jié)束語

物理科學(xué)方法既是物理知識發(fā)展的手段，又是物理知識發(fā)展的產(chǎn)物?？茖W(xué)方法的不同，實際是人類認(rèn)知路徑的不同。在高中物理教學(xué)中滲透科學(xué)方法教育，可讓學(xué)生在形成知識的過程中經(jīng)歷探究過程，體驗科學(xué)方法，提高科學(xué)素養(yǎng)，成長為創(chuàng)新型人才。

（責(zé)任編輯 易志毅）