控制变量法在初中物理实验中的应用初探

    在初中物理实验中，所涉及到的实验研究方法较多，其中“控制变量法”不仅是用得最多的一种研究方法，也是初中物理实验中要求最高、难度最大的一种方法。
     控制变量法就是把一个多因素影响某一物理量的问题，通过控制某几个因素不变，只让其中一个因素改变，从而转化为多个单一因素影响某一物理量的问题的研究方法。
     “控制变量”实质就是控制变量的两个方面：一方面是要控制不变的因素；另一方面是要控制变化的因素。只有这两个方面都控制好了，才能根据实验结果分析得出哪些因素与被研究的物理量有关或无关，如果有关，它们又满足什么等量关系。其一般形式如下：
     如果被研究的物理量设为A，根据猜想，假设与A有关的因素可能有B、C、D等。其实验方案的设计应是：先控制变量C、D等因素相同，只改变因素B，如果物理量A也不同，则因素B与物理量A有关，否则无关，假如因素B变为原来的n倍，A也变为了原来的n倍，则物理量A跟因素B成正比；再控制变量B、D等因素相同，只改变因素C，如果物理量A也不同，则C因素与A有关；同理再探究因素D是否与A有关。
如“探究影响摩擦力大小的决定因素”，学生可能会提出各种猜想，如压力的大小、物体间的接触面积、接触面的粗糙程度等等，在设计实验方案和进行实验探究时，要分别探究摩擦力的大小是否与压力大小因素有关、是否与受力面积因素有关、是否与接触面粗糙程度因素有关。如探究摩擦力是否与压力大小因素有关时，就要控制接触面积、接触面的粗糙程度等因素保持不变，而只改变每次实验时的压力大小因素，如果摩擦力的大小随压力的大小变化而变化，说明摩擦力的大小与压力大小因素有关，并且通过测量数据间的关系分析压力因素与摩擦力的大小之间的量的关系。
变量因素的控制，会因控制对象、控制条件等的不同、其控制的方法及达到的理想程度也不同。
如“探究物体吸收（或放出）热量的多少与哪些因素有关”，实验中为了比较物体吸收热量的多少与物质种类因素的关系，首先是要控制除物质种类因素之外的其它因素全部相同，如质量、温度变化、实验环境等。另外，物理量“热量”在初中阶段还不能直接测量，本实验使用了“转换法”，把不便直接测量的“热量”转换为对物体的加热“时间”，为了使加热时间与吸收的热量成线性关系，就必须还要控制不同物体的加热条件相同、热传递条件相同。现行不同的教材版本介绍了不同的实验方案，如：把两个不同的加热对象放在同一块铁板上，用酒精灯对铁板加热，铁板同时对两个物体加热；如果研究对象都是液体，一般用同种规格的电加热器对液体分别加热；也有将被研究物质分别放入相同规格的试管中，再把试管放入水中，利用“水浴加热法”对物体加热。上述各种方案都是比较理想的实验方案。当然也有一些设计方案不是很合理的，如将比较的液体对象分别盛在相同规格的烧杯中，将烧杯分别放在铁架台的石棉网上，再分别用相同规格的酒精灯加热，本方案虽处处都注重了条件的“相同”，但在实际操作中却很难做到“相同”，如酒精灯火焰大小、火焰加热部位等就是很难做到一致的，从而可能得出错误的实验结论。
又如“探究电流的大小与电压和电阻的关系”实验。当探究电流的大小与电压的关系时，要控制“电阻”因素不变，只改变“电压”因素的大小。实验中，选取一只定值电阻器，通过改变加在电阻器两端的电压，测量通过电阻器的电流强度，再分析它们之间量的关系。本实验的理想条件是：电阻的大小保持不变，但由于电流的热效应，电阻器的电阻值会随着温度的变化而变化，而温度又会随电流的变化而变化。因此，本实验中控制电阻因素不变的难度就较大，但通过实验结果表明，在电流变化范围不大时，其电阻的变化也是很小的，其误差完全可以控制在有效范围之内。因此，本实验在改变电压因素时，应注意控制变化范围。
在一些定性的探究实验中，各个变量可能不需测量，但必须要便于观察。
如“探究压力的作用效果与哪些因素有关”，其中“压力大小”因素、“接触面的粗糙程度”因素都是不需测量的；“压力作用效果的显著程度”也是通过直观观察来判断。本实验中，为了便于观察压力作用效果的显著程度，其压力的受力物应选择容易发生形变的物体，如海棉等。
再如“探究电流放出的热量与哪些因素有关”，本实验要分别探究电流放出的热量与导体电阻的大小、电流的大小、通电时间等因素之间的关系，这些变量中，电阻的大小可由铭牌上读取，电流、时间可分别用电流表、钟表测量，但放出热量的多少是不直接测量的。本实验除控制变量法外，还应用了“转换法”、“放大法”等，即：忽略不计热损失，电流放出的热量等于液体（一般用煤油）吸收的热量，液体吸收热量温度升高，液体体积增大，因此把电流放出的热量最终转换为液体体积的变化量；为了便于观察液体体积的变化量，本实验在密闭的容器口插入一根细玻璃管，让液面位于容器之上玻璃管中，使液体体积的变化通过细玻璃管中液面高度的变化“放大”显示出来。
总之，控制变量法在实际的实验中，要根据各个“变量”的不同特点、实验的具体要求、实验环境及客观条件等，要科学、合理的设计实验方案。教师也要引导学生创新，不能教条地照搬课本，在实验中要培养学生科学的探究方法、创新的学科精神！

           通江县洪口中学   李盛柏