應(yīng)用控制變量法 培養(yǎng)物理思維能力

岳亮亮

(江蘇省淮州中學(xué) 223300)

與高考理科中其他學(xué)科不同，物理學(xué)科更需要理性分析和思考，對學(xué)生的思維要求也更高.學(xué)生之所以認為很多問題分析起來比較困難，大多數(shù)原因在于他們總是將很多因素考慮到解決問題的過程中，而沒有應(yīng)用控制變量.本文筆者將與大家分享，如何利用控制變量法，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力.

一、定性研究，得出規(guī)律

物理是一門與生活和實驗緊密結(jié)合的學(xué)科.在很多日常生活和實驗現(xiàn)象中，學(xué)生們總能根據(jù)觀察到的現(xiàn)象有一個直觀性的感受.教師一定要適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生學(xué)會在生活中、在實驗中進行觀察，得出規(guī)律.

我們在必修1第四章學(xué)習(xí)的是牛頓運動定律，在這期間，我?guī)ьI(lǐng)我們班的同學(xué)做了一個實驗，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.在實驗室里，我給每一組成員都準(zhǔn)備了小車子、砝碼、秒表和繩子等實驗用具，希望他們可以進行探究其中的規(guī)律.一開始，大家都比較迷茫，不知道從何入手.這時候，我便適時做了一下引導(dǎo).我跟學(xué)生說：“我們做實驗時不可能根據(jù)一個數(shù)據(jù)就得出正確結(jié)論.因此，不能心急，一定要保持其它的量不變，只改變其中兩個條件，才有可能探究他們的關(guān)系.”至此，大家已經(jīng)對控制變量法有了初步的理解.接下來，大家首先保證通過自身重力引導(dǎo)小車向下的砝碼的質(zhì)量不變，然后在小車上加砝碼來改變小車的重量，測得在同樣牽引力的情況下不同質(zhì)量的小車行駛過滑板的時間.最后，根據(jù)公式x=(1/2)at2算出在同樣牽引力的情況下不同質(zhì)量的小車行駛的加速度，從而得出加速度與質(zhì)量的關(guān)系.初步得出結(jié)論后，大家再改變引導(dǎo)小車向下的砝碼的重量，同時保持小車質(zhì)量不變，用同樣的方法測得在不同牽引力的情況下同質(zhì)量的小車行駛過滑板的時間，算出其加速度，最終得出加速度與力的關(guān)系.

在這次的實驗中，大家已經(jīng)根據(jù)自己的觀察得出了相對正確的結(jié)論：力相同的情況下，加速度與質(zhì)量成反比；質(zhì)量相等的情況下，加速度與力成正比.其實結(jié)論并不是那么重要，關(guān)鍵的還是學(xué)生已經(jīng)初步掌握了控制變量的方法，這對他們今后的學(xué)習(xí)有很大幫助.

二、定量對比，探究本質(zhì)

作為一門專業(yè)性很強的學(xué)科，定性的了解并不能幫助學(xué)生完全解決物理問題.因此，在適當(dāng)?shù)臅r機，教師還是應(yīng)該讓學(xué)生親自對實驗進行定量的對比，才能探究其本質(zhì)，進而解決物理問題.

必修2第五章第4節(jié)講重力勢能，在正式定量對比探究之前，我已經(jīng)讓大家根據(jù)同質(zhì)量小球在不同高度以及不同質(zhì)量小球在同等高度砸海綿的效果得出了初步結(jié)論：重力勢能與質(zhì)量和高度成正比.接下來就是具體的定量探究過程了.首先，學(xué)生們已經(jīng)了解，重力勢能是物體因為重力作用而擁有的能量，對于重力勢能，其大小由地球和地面上物體的相對位置決定.接下來，根據(jù)觀察得到的結(jié)論，我讓學(xué)生初步寫下公式為：Ep=kmh，其中，m表示物體的質(zhì)量，h表示物體相對參考面的高度，k則為一個系數(shù).然后，我們的目標(biāo)就是求得k的值：根據(jù)定義，重力勢能是物體因為重力作用而擁有的能量，就可以理解為重力勢能表示物體依靠其重力，落到參考面上做的功，即Ep=FS=mgh，那么，k的值即為g.最后，學(xué)生根據(jù)實驗觀察到的結(jié)果和理論分析，得出重力勢能的表達式為Ep=mgh.這次的探究我只是起了引導(dǎo)作用，關(guān)鍵步驟還是由學(xué)生來完成，因此他們的印象是非常深刻的.

學(xué)生自己根據(jù)定義進行實驗，進而探究得出具體公式的過程是定量對比的高級表達，可以幫助學(xué)生探究問題的本質(zhì)，從而對知識有著更深刻的理解和記憶.因此，教師一定要注重對學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)，幫助他們更好地理解知識.

三、聯(lián)系生活，解決問題

探究物理現(xiàn)象和物理定義的最終目的還是解決學(xué)習(xí)和生活中遇到的問題.因此，教師還應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生主動聯(lián)系生活實際，利用所學(xué)到的控制變量的物理思想解決問題，真正理解知識.

必修1第四章牛頓運動定律的內(nèi)容結(jié)束之后，我和同學(xué)們共同得出了加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系：a=F/m.在自由落體運動過程中，F(xiàn)=mg，那么a=g.即在自由落體運動過程中，h=(1/2)gt2.但其實這也只是假定的理想情況，事實上，物體在下落時，一定會受到除重力以外的阻力.為了讓學(xué)生深刻理解聯(lián)系實際，我當(dāng)下就給他們出了一道題：一個板凳，從高20米的地方掉下來需要多長時間，以及落地的瞬間，板凳的速度為多少(g取10m/s2).大家也分別根據(jù)h=(1/2)gt2與v=gt給出了我答案，落地所需時間為2秒，落地瞬間速度為20m/s.很顯然，實際情況和理想條件是有區(qū)別的.于是我又給了學(xué)生一個提示：a=F/m中F指物體受的合力，而不是單純其中一個力.然后大家立馬反應(yīng)過來，板凳下落過程中并不只是受地球的引力作用，同時還有空氣向上的摩擦力，因此實際的結(jié)果應(yīng)該是：落地所需時間大于2秒，落地瞬間速度小于20m/s.

其實聯(lián)系實際的問題并不是非常難以理解甚至非常困難的，它只是需要學(xué)生深刻理解自己用控制變量法求得的定義，同時根據(jù)實際情況進行綜合考慮.因此，教師一定要經(jīng)常聯(lián)系實際，鍛煉學(xué)生的思維.

物理學(xué)科的發(fā)展并不是一蹴而就的.因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程也應(yīng)當(dāng)遵循物理學(xué)科的發(fā)展過程，進行一到多的綜合.這時候，以上的控制變量法就顯得尤為重要了.不過我們也不難看出，教學(xué)生利用控制變量法探究本質(zhì)只是基礎(chǔ)，最重要的還是解決問題，注重知識理解和運用的完整性.