控制变量法及其在初中物理中的运用

控制变量法及其在初中物理中的运用揭东县地都镇金都初级中学郑瑞群在日常物理教学中，我们经常会遇到这样的问题：有的学生说，老师你讲的我都懂，可是一做习题我就不会。

题目究竟是难还是容易呢？对中国学生来说，往往是再难的题老师讲过就容易，容易的题老师没讲过就难，学生只会依葫芦画瓢，缺乏创造，缺乏学习、研究方法。

在中学物理教学中涉及到的自然科学的一般研究方法，主要有观察、实验、抽象、理想化、比较、类比、假说、模型、控制变量法等等。

其中控制变量法几乎贯穿了整个物理教学和研究。

控制变量法作为一种常用的、有效的探索物理规律的科学方法，在初中物理新课程教学中得到了特别广泛的应用，许多物理概念或规律的探索和推导，演示实验、分组实验的教学，都运用了“控制变量法”这一科学方法。

在初中物理教学中，控制变量法的应用难度最大，所以老师怎样教好这一方法，学生怎样掌握好这一方法，并且在解题中灵活应用，在初中物理教学中就占有非常重要的地位。

如果能深层次地理解这种研究物理问题的方法，将有助于解决物理教学中“深、难、重”的问题，也能最大程度地扩大学生的知识面，激发学生学习物理的兴趣，提高课堂教学效果。

下面我就它在教学中的应用谈谈自己的看法。

一、正确理解控制变量法自然界中发生的各种物理现象往往是错综复杂的,因此影响物理学研究对象的因素在许多情况下并不是单一的,而是多种因素相互交错、共同起作用的。

在研究过程中，由于多个因素（变量）的共同作用，将使研究变得复杂，也很难分析、寻找、总结研究对象与各个因素（变量）之间的关系。

于是，应该寻找一种研究对象与影响其变化的单一因素（变量）关系的方法。

“控制变量法”是解决上述问题的一种方法，是学习物理常见的一种研究方法。

学习和理解控制变量法，不能把这个名称和这种方法生硬、突然地抛塞给学生，而应该在实验和科学方法教育中渗透进行，在学生有一定认识的基础上水到渠成地揭示，并加以分析、说明，使学生真正理解并能运用控制变量法。

例如，在引导学生探索、研究导电体的电阻的大小同导电体的哪些特性有关时，可先故意将横截面积、长度都不同的一根镍铬合金丝和一根铜丝分别串入接有小灯泡的直流电路中，让学生分别观察灯泡发光的亮度，并问学生：刚才的实验现象能否说明电阻大小与导电体的某个特性有关？学生经过思考与讨论，得到的结论当然是否定的。

再用横截面积和长度都不同的两根镍铬合金丝分别串入上述电路中，观察小灯泡的亮度，并让学生思考这个实验能否说明电阻大小同导电体的某种特性有关，结论同样是不能。

这时就可不失时机地问学生：“那么，我们应该取怎样的两根金属丝串入上述电路来做这个实验，以研究导电体的电阻大小到底与哪些因素有关呢？”同时向学生出示课前准备好的几根金属丝让他们选择。

学生经过思考并相互讨论后，有的回答：应取两根横截面积相同、但长度不同的镍铬合金丝进行上述实验；有的同学说：应取两根长度相同、但横截面积不同的镍铬合金丝进行上述实验；还有的说应取长度、横截面积均相同的一根铜丝和一根镍铬合金丝进行实验比较。

这时，教师可适时指出上述几种方法都可以，同时指出要研究电阻的大小同导电物质的长度、横截面积、材料种类这三个因素任何一个因素间的关系，就要人为地控制另外两个因素，使它们相等，并指出这种实验的方法就是“控制变量法”。

又如通过导体电流的大小，与导体两端的电压成正比，这时应该控制电阻一定；通过导体电流的大小，与导体的电阻成反比，这时应该控制电压一定。

电功率的大小，与导体两端的电压、通过导体的电流成正比，也应该分别控制两个变量。

由上可知，在研究一个物理量与另一个物理量之间的关系时，其他有关的物理量就应该人为地把它们都控制成定量，这就是控制变量，这种研究方法就是控制变量法。

当变量控制之后，问题就简化了。

如上面研究导体电阻与导体长度关系时，应该在一定的温度下，保证导体的材料、横截面积相同，单独研究导体电阻与导体长度的关系；水的蒸发快慢不仅和水的温度有关，还与水的表面积大小和水周围的空气流动速度等因素有关，要研究水的蒸发快慢与某一因素的关系时必须保证其他因素相同，使一个多因素的问题变成一个单因素的简单问题。

所以要想精确地把握研究对象的各种特性，弄清事物变化的原因和规律，单靠自然条件下整体观察研究对象是远远不够的，还必须对研究对象施加人为的控制，形成特定的、便于观察的条件和实验环境，使研究过程简单、清晰。

二、结合控制变量法灵活运用公式解决问题世界处在不停的变化之中,一个问题往往受到多个因素的影响，控制变量法的思路在我们解决多变量问题中起着重要的作用。

对于控制变量法的学习,仅仅记住它的名称、或者仅仅记住它的几个运用实例是远远不够的，我们应当在日常的教育教学中引导学生领悟它的思想内涵，在分析处理具体问题时加以灵活运用。

在一些运用公式进行计算、比较的问题中，如果能结合控制变量法来理解、分析，往往会使问题更直观，更简单，思路更便捷。

【例1】电热毯的电路图，如图所示A状态：当S1闭合，S接1时，B 状态：当S 1闭合，S 接2时，（1）判断A 、B 状态，哪一个是高温档，哪一个是低温档？（2）电热毯正常工作时，低温档消耗的 电功率为48.4W ，高温档工作时，电路的总电阻为160Ω，求R 1、R 2的大小。

【分析】电热毯正常工作时，电路消耗电功率大的一档为高温档，在研究P 与R 的关系时，本题A 、B 两种状态中，电源电压一定，根据控制变量法，我们应该在公式P = UI 、P = U ²/R 、P =I ²R 中选择最简单的判断依据，因为电压这一变量被控制，应该用公式P = U ²/R 来分析问题。

【解】（1）A 状态：当S 1闭合，S 接1时，只有R 1接入电路，B 状态：当S 1闭合，S 接2时，R 1、R 2串联接入电路根据P = U ²/R ，在U 一定的情况下，A 状态的电阻R 1小于B 状态的电阻R 1 + R 2 ，所以，A 状态消耗电功率较大，是高温档，B 状态消耗电功率较小，是低温档。

（2）因为低温档消耗的电功率为48.4W,根据P = U ²/R即：(220V)²/( R 1 + R 2 )= 48.4W解得 R 1 + R 2 =1000Ω高温档工作时，只有R 1 接入电路的总电阻为160Ω，即R 1 = 160ΩR 2 =1000Ω-160Ω=840Ω【例2】如图所示，电源电压12V 不变，R 1、R 2、R 3 的电阻分别为5Ω、10Ω、15Ω，求：（1）当S 1、S 2、S 3都闭合时，电路消耗的电功率。

（2）当S 1闭合，S 2、S 3都断开时，电路消耗的电功率。

【分析】先分析电路，当S1、S2、S3都闭合时，电阻R1、R2、R3并联，在并联电路中，各支路两端等于电源电压，电压在问题中是一个定量，所以在并联电路中，P与R之间的关系，我们一般选择公式P= U²/R来解决问题。

当S1闭合，S2、S3都断开时，电阻R1、R2、R3串联，在串联电路中，各处电流相等，电流在问题中是一个定量，所以在串联电路中，P与R之间的关系，我们一般选择公式P =I²R来解决问题。

运用控制变量法正确、快速选择电学公式，对于解决电学计算题起着关键性作用，只要你公式选择、应用正确，不混淆，结合控制变量法，问题就可简化了。

初中物理中的许多问题都可以用类似的方法解决。

三、融会贯通，触类旁通，用控制变量法解决相关问题当我们掌握用控制变量法解决电学计算之后，我们也可以应用其规律融会贯通解决一些相关的电学物理现象和物理问题。

【例3】试用计算方法判断将L 1“220V、40W”和L 2“ 220V、10W”的灯泡串联接入电路中，哪一个灯泡更亮一些？【分析】灯泡的亮度用电功率来反映，本题我们应该计算电功率来比较大小。

在串联电路中，各处电流相等。

利用控制变量法，我们可以根据公式P =I²R，当电流I一定时，P与R成正比，而L 1的电阻R1小于L 2的电阻R2，所以P 1小于P 2，即L 2 更亮一些。

【例4】电热水壶接入电路工作之后，电热水壶发热可以将水煮沸，而与电热水壶连接的电线却不怎么热，为什么？【分析】本题我们应该计算电热来比较大小，与电热水壶连接的电线是一个比较小的电阻，它与电热水壶串联，利用控制变量法，我们可以根据公式Q =I²Rt，当电流I一定时，在相同的时间内，Q与R成正比，电热水壶电阻比较大，所以电热水壶发热可以将水煮沸，电线电阻比较小，所以不怎么热。

【例5】为什么远距离输电要采用高电压输电？【分析】因为输电电线有电阻，电流通过输电电线会发热，这些热能白白地损失掉了，所以本题我们应该计算输电电线损耗的电热大小来分析问题。

利用控制变量法，在输电电线电阻一定及相同的时间内，根据Q =I²Rt，我们知道要减少电热Q，必须减少输电电流I，怎样减少输电电流I呢？我们再利用控制变量法，在远距离输电的过程中，输送的电功率一定，在P与I之间的关系中，我们应该考虑公式P = UI，所以要减少输电电流I，必须提高输电电压。

控制变量法不仅是一种科学研究方法，也经常应用到初中物理的计算与分析中，用来解决许多相关问题，它是初中物理中一种常用的、重要的研究方法，也是解决问题的一种实用方法。

在解决相关问题时，只要我们认真对待，细加推敲，正确理解、运用控制变量法，并灵活选择、应用公式再融会贯通，我们就能找到解决问题的最简单、便捷的有效方法，最大限度地发挥控制变量法在初中物理中的多种作用。

在初中物理中，控制变量法有助于学生的学习与研究，也需要学生在不断的学习中进一步加深认识、理解，达到真正灵活运用。

2011年12月控制变量法及其在初中物理中的运用揭东县地都镇金都初级中学郑瑞群2011年12月。