初中物理電學(xué)中控制變量法的實(shí)際應(yīng)用探討

姜燁

【摘 要】控制變量法在物理教學(xué)中起著重要作用。初中物理難度較大，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難讓學(xué)生理解，因此筆者基于多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，闡述了控制變量法在初中物理電學(xué)研究中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】初中物理；電學(xué)；控制變量法

【中圖分類號(hào)】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1671-8437（2020）34-0055-02

物理學(xué)的研究是基于各種自然現(xiàn)象的，自然現(xiàn)象是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)，并且這些物理現(xiàn)象是復(fù)雜且易變的，各種因素都會(huì)對(duì)其有一定的影響。為了準(zhǔn)確地理解研究主題的性質(zhì)并清楚地了解其變化的原因，不應(yīng)該僅依靠整體觀察，更應(yīng)該使用人工效應(yīng)來達(dá)到特殊的研究條件[1]。控制變量法，即變量控制方法，就是尋找這些規(guī)律的方法。運(yùn)用控制變量法研究多變量對(duì)象時(shí)，一次只能更改一個(gè)變量，其余變量將被視為固定值[2]。

控制變量法是學(xué)習(xí)物理的好方法，是研究特定的物理問題和因素時(shí)，一次只更改一個(gè)因素，確保其他因素保持不變，探索正在研究的內(nèi)容和該因素存在的一些關(guān)系的方法。通過控制變量法，可逐步解決復(fù)雜的物理問題，幫助學(xué)生減小學(xué)習(xí)物理的難度。

1? ?控制變量法概述

控制變量是指控制影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的所有變量，除實(shí)驗(yàn)因素（獨(dú)立變量）外，它們不是本實(shí)驗(yàn)中要研究的變量，被稱為無關(guān)變量、無關(guān)因素或非經(jīng)驗(yàn)因素。只有控制除可以更改因變量的自變量以外的所有變量，才能在實(shí)驗(yàn)中闡明因果關(guān)系，控制變量的目的是控制某些影響因素以獲得實(shí)際結(jié)果[3]。

自變量是操縱變量，因變量是測(cè)量或記錄的變量。這兩個(gè)術(shù)語之間的差異似乎會(huì)使許多人困惑，因?yàn)楹芏嗳苏J(rèn)為“每個(gè)變量都是因變量”。但是，認(rèn)識(shí)到這種區(qū)別后會(huì)發(fā)現(xiàn)這種區(qū)別是必不可少的。術(shù)語“獨(dú)立變量”和“因變量”主要在操縱變量的實(shí)驗(yàn)研究中使用[4]。從這個(gè)意義上說，自變量在受試者的反應(yīng)形式、性質(zhì)和目的方面是獨(dú)立的，而其他變量則“依賴”于操縱變量或?qū)嶒?yàn)條件的變化。

實(shí)驗(yàn)中有三個(gè)主要變量：自變量、因變量和控制變量，前兩個(gè)變量統(tǒng)稱為實(shí)驗(yàn)變量。自變量就是本身發(fā)生變化的物理量,因變量就是由于自變量發(fā)生變化而引起的變化，即受試者在其中觀察并記錄響應(yīng)自變量變化的行為?？刂谱兞浚ㄒ卜Q其他相關(guān)變量）表示除了實(shí)驗(yàn)變量之外還影響實(shí)驗(yàn)變化和結(jié)果的潛在因素或條件[5]。

在教授物理電學(xué)知識(shí)時(shí)，為了幫助學(xué)生更好地理解電阻、電流和電壓之間的關(guān)系，可更改一個(gè)和兩個(gè)不變量來研究變量對(duì)另一個(gè)的影響。通過控制變量法，中學(xué)生可以更多地了解自身對(duì)物理電學(xué)知識(shí)的掌握情況，逐漸了解各種物理量之間的關(guān)系。對(duì)于更復(fù)雜的物理問題，控制變量法也是一種更有效的方法。關(guān)于控制變量法，重要的是控制一定變量，然后將復(fù)雜的物理問題轉(zhuǎn)換為簡單的問題進(jìn)行研究。由于對(duì)知覺的認(rèn)知程度不高，在沒有教師指導(dǎo)的情況下，中學(xué)生難以有效運(yùn)用變量控制法。

2? ?應(yīng)用研究

2.1? 探究歐姆定律

歐姆定律是學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，也是電學(xué)的核心。通過先前的教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)掌握了三個(gè)基本概念：電流、電壓和電阻。它們之間是什么關(guān)系？根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，教科書安排了一個(gè)相對(duì)完整的探究活動(dòng)，涵蓋了探究的三個(gè)要素[6]。在此，重點(diǎn)探究如何使用變量控制法設(shè)計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)，如何使用它來確保物理量不變以及如何使用它來更改物理量。

（1）在不改變電阻的情況下對(duì)其進(jìn)行控制，改變導(dǎo)體的電壓，并探索電流與電壓之間的關(guān)系。

a.電阻值是固定的，因此固定值電阻器的電阻值不變。

b.有兩種方法可以影響導(dǎo)體的電壓值變化。①如果更改電源電壓，則導(dǎo)體的電壓可能會(huì)變化。通過該電路，學(xué)生可以通過簡單的變量控制法學(xué)習(xí)電流和電壓之間的關(guān)系，易于理解和學(xué)習(xí)。②調(diào)節(jié)滑動(dòng)變電阻器會(huì)改變固定電阻器兩端的電壓。因?yàn)楣潭ㄖ惦娮韬突瑒?dòng)變阻器是串聯(lián)的，且電路總電壓恒定不變，所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值時(shí)，滑動(dòng)變阻器兩端分得的電壓會(huì)變化，從而影響固定值電阻兩端的電壓。

（2）在不改變導(dǎo)體兩端電壓的情況下改變固定值電阻，研究電流與電阻之間的關(guān)系。

a.可將固定值電阻器替換為另一個(gè)固定值電阻器。

b.改變電阻時(shí)，需要確保導(dǎo)體兩端的電壓不變?？梢允褂脙煞N方法。一是使用相同的電源，確保導(dǎo)體上的電壓保持不變，并更換其他電阻器以直接帶來電流和電阻的變化，從而降低理解難度。然而，當(dāng)用電池實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于電池具有內(nèi)部電阻，且當(dāng)外部電阻變化時(shí)，電阻兩端的電壓也會(huì)變化，所以會(huì)有實(shí)驗(yàn)誤差。二是將電阻器更改為另一個(gè)電阻器，如果滑動(dòng)電位器的滑動(dòng)部分不移動(dòng)，則固定值電阻器的電壓會(huì)發(fā)生變化。電壓和電阻改變時(shí)，則無法確定影響電流的因素。這很容易被學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中忽略。所以教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生觀察電壓表，保持讀數(shù)完整。通過研究以上兩個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以了解到導(dǎo)體中的電流、導(dǎo)體中的電壓和導(dǎo)體的電阻之間的關(guān)系。

2.2? 了解未知物質(zhì)的電阻

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定未知物質(zhì)的電阻之前，學(xué)生應(yīng)該先對(duì)電阻有透徹的了解，并對(duì)電路、電壓、電流和一些基本的實(shí)驗(yàn)要求有全面的了解。在測(cè)量過程中使用控制變量方法是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。相同材料的電阻與長度、厚度和溫度密切相關(guān)[7]。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生應(yīng)積極掌握實(shí)驗(yàn)的變量控制，以確保實(shí)驗(yàn)原理的準(zhǔn)確性。對(duì)于當(dāng)前水平的初中生，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)確保僅更改一個(gè)變量以探索實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

2.3? 探究功率之間的關(guān)系

物理學(xué)中的經(jīng)典問題類型是比較兩個(gè)變量的大小，但是變量經(jīng)常相互約束，因此很難測(cè)量哪個(gè)變量更大。此時(shí)，最優(yōu)的研究方法是選擇控制變量法。這是帶有一個(gè)簡單示例的詳細(xì)說明。例題：電路中有兩個(gè)并聯(lián)的電阻，如果電阻的電阻值大于電阻的電阻值，電阻和電阻的功率之間是什么關(guān)系？

答：計(jì)算電功率的主要公式如下：，，。由于公式眾多，初學(xué)者會(huì)感到困惑，難以理清頭緒。但是，指導(dǎo)學(xué)生采用控制變量方法進(jìn)行研究，則可以輕松解決該問題。先分析功效是否與兩個(gè)變量有關(guān)，然后分析問題以得到相同的變量，要確保只有另一個(gè)變量處于變化狀態(tài)。當(dāng)電阻器并聯(lián)連接在電路中時(shí)，兩個(gè)電阻器上的電壓相同，因此可選擇的公式中可排除，由題目已知的電阻值大于的電阻值，所以通過公式，可以得到電阻兩端的功率小于電阻兩端的功率。

2.4? 動(dòng)態(tài)電路分析

電學(xué)中的難點(diǎn)是動(dòng)態(tài)電路的分析和計(jì)算?？荚囍型ǔ＿€缺少有關(guān)動(dòng)態(tài)電路的問題，解決這類問題的有效而準(zhǔn)確的方法通常是控制變量方法。如下例所示：如圖1所示，將可變電阻的滑片向左推時(shí)，電流表和電壓表如何變化？

答：該電路是電氣測(cè)試問題中的經(jīng)典問題類型，并且該電路中發(fā)展了許多常見的測(cè)試問題。但是，這類問題通常對(duì)于學(xué)生來說很難分析，并且準(zhǔn)確性相對(duì)較低。當(dāng)向左滑動(dòng)滑片時(shí)，學(xué)生可以容易地判斷電阻器的變化和支路電流?I?的變化，但是電阻器和兩端的電壓太弱，無法準(zhǔn)確判斷。這時(shí)，可啟發(fā)學(xué)生從基本電壓公式開始。電壓的大小與電流和電阻有關(guān)。當(dāng)這兩種情況都改變時(shí)，很難判斷電壓的變化。最好的方法是控制變量方法，先查看兩個(gè)變量之一是否固定，然后關(guān)注恒定值電阻器。因此，當(dāng)滑片向左滑動(dòng)時(shí)，電路中的總電阻變小，總電壓保持不變，從而導(dǎo)致更大的總電流。根據(jù)歐姆定律，固定電阻器兩側(cè)的電壓都會(huì)增加，，

不變，變大，所以減少。通過以上分析，學(xué)生能理解這種分析的原因以及如何通過解決問題進(jìn)行分析。將來，他們能從類似的問題中得出推論，并使用控制變量方法靈活地解決問題。

3? ?結(jié)論

綜合上述分析可以得到，控制變量法的應(yīng)用在物理學(xué)習(xí)中非常廣泛，并且在未來的物理學(xué)習(xí)中也很重要。因此，教師需要耐心且專心地進(jìn)行指導(dǎo)，為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)知識(shí)，必須加強(qiáng)他們對(duì)方法的掌握，以便他們獲得正確的探究方法和技巧并提高能力，可以靈活地使用控制變量法探索未來研究中的各種問題，將所學(xué)的技能廣泛用于學(xué)習(xí)和生活實(shí)踐中。此時(shí)，知識(shí)不再停留在教科書中，而是成為一種能力，成為學(xué)生將來繼續(xù)發(fā)展的工具。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]薛燕.淺談控制變量法在初中物理電學(xué)中的應(yīng)用[J].新課程改革與實(shí)踐,2010(13).

[4]肖石長.物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)控制變量法的探究[J].理科愛好者:教育教學(xué)版,2013(5).

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