论文部分内容阅读
物理学中对于多因素（多变量）问题的处理，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题.每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法.它是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中.在平时的物理教学中，很多探究性实验都用到了控制变量法.本文探讨如何正确理解控制变量法，以及控制变量法在实验设计和实验结论中的应用.
1控制确定有关的量不变，属于控制变量
已知无关的量，但为了防止对实验干扰而控制不变的量，不属于控制变量.
例1小明已经知道：音调高低只跟频率有关.他想探究“音调高低跟频率的关系.”
（1）小明认为每次实验都要用相同的力度敲音叉.这么做的目的是：
（2） 控制振幅相同是否属于控制变量？.
（3）如果使用某种仪器能直接测出音调，是否需要控制振幅（响度）相同？.
分析（1）用相同的力度敲，目的是为了控制振幅（响度）相同；（2）因为音调跟振幅无关，所以不属于控制变量；（3）因为这个实验，通常是通过人耳听声音来辨别音调高低，但响度不同，会对人耳辨别音调的高低产生干扰.如果用仪器直接测音调高低，响度不同不会对仪器产生干扰，所以如果使用仪器直接测音调，不需要控制响度相同.
例2小明已经知道：物体的重力势能只跟物体的质量和高度有关.
他想探究“重力势能跟物体质量的关系”.
他想通过比较金属球砸出沙坑的深浅来间接地比较重力势能的大小.
小明认为：应该选择3个质量不同，体积相同的金属球.为什么需要体积相同？.控制体积相同是否属于控制变量？.
分析因为金属球的体积大小会对砸出的沙坑深浅造成影响，为了排除这个因素对实验现象的干扰，所以要控制体积相同.而重力势能的大小跟物体的体积无关，所以这个实验控制体积相同不属于控制变量.
例3小明想比较水和煤油的比热容大小关系.他设计的实验是：用相同的烧杯分别装入质量相同的水和煤油，用相同的酒精灯加热，使水和煤油升高相同的温度.谁加热的时间长，谁的比热容就大.
（1）这个实验为什么要用相同的酒精灯？
（2）这个实验控制了质量相同，烧杯相同，酒精灯相同，升高的温度相同.控制这些因素，是否属于控制变量？为什么.
分析（1）此实验是通过利用相同质量，升高相同温度，比较吸收热量的多少间接比较比热容.而吸收热量的多少是通过加热时间间接反映的.在不考虑热损失的情况下，只有相同的酒精灯才能保证在单位时间内放出的热量相同，从而使水和煤油在单位时间内吸收的热量相同，才能通过比较加热时间间接地比较吸收热量的多少；（2）由于比热容只跟物质的种类有关，跟其它因素无关，所以控制这些因素相同都不属于控制变量，只是排除这些因素对这个实验的干扰.假如是利用某种仪器可以直接测出液体的比热容，则这些因素都不需要控制相同.
2控制变量法在实验结论中的应用
2.1如果实验题目是探究与……是否有关，并猜想与多个可能因素有关
在设计实验时，当探究其中的一个因素时，需要控制其它的猜想因素不变，这属于控制变量法.但探究的这个因素无论最后结果是有关还是无关，其实都不受其它因素的影响，所以探究是否有关的实验结论中不应该写“当……一定时”.
例4小明猜想：浸在液体中的物体受到的浮力大小可能跟深度、液体密度、排开液体的体积有关.
（1）小明设计实验，发现当深度、液体密度不变时，浮力随排开液体的体积变化而变化.
则结论是：
（2） 小明设计实验，发现当液体密度和排开液体的体积不变时，浮力不随深度的变化而变化.
则结论是：
分析有关还是无关，是不受其它因素影响的.实验设计中需要控制变量，只是为了便于得出结论：
（1）浮力大小跟排开液体的体积有关；（2）浮力的大小跟深度无关.
2.2如果实验题目是探究定量或定性的关系，并且已知有多个影响因素
在设计实验时，当探究跟其中的某一个因素影响时，需要控制其它的相关因素不变，这属于控制变量法，在结论中需要写“当……一定时”.
例5小明已经知道液体内部的压强大小跟液体密度和深度有关.他利用U型管压强计探究液体内部压强跟深度的关系.他发现当液体密度一定时，探测端所在的深度越深，U型管中的液柱高度差越大.
则结论是：
分析由于U型管压强计只能粗略地比较液体内部压强的大小，而不能测出压强值，所以用U型管压强计只能定性地探究液体内部压强规律.所以结论是：当液体密度一定时，液体内部压强随深度的增大而增大.
例6小明已经知道滑动摩擦力的大小跟接触面的粗糙程度和压力大小有关.他设计实验探究滑动摩擦力跟压力的定量关系.
则结论是：
分析因为他要探究定量的关系，所以结论是：当接触面的粗糙程度一定时，滑动摩擦力跟压力成正比.
如果要探究定性的关系，则结论是：当接触面的粗糙程度一定时，滑动摩擦力随压力的增大而增大.
3控制变量法在设计实验中的应用
在探究性实验中，应该先探究“是否有关”，确定有关了，再探究具体的关系.
3.1在探究“是否有关”的实验中，猜想的量要控制，没有猜想的量不需要控制
例7小明猜想：液体蒸发快慢可能跟液体温度，液体表面空气流速及液体与空气的接触面积有关.他想探究液体蒸发快慢跟液体温度是否有关.应控制哪些因素相同？
答：应控制液体表面空气流速和液体与空气的接触面积相同.
例8小明猜想：液体蒸发快慢可能跟液体温度、液体表面空气流速、液体与空气的接触面积、液体种类和空气湿度有关.他想探究液体蒸发快慢跟液体温度是否有关.应控制哪些因素相同？
答：应控制液体表面空气流速、液体与空气的接触面积、液体种类和空气湿度相同.
3.2在探究“是否有关”的实验中，要从实验者的角度去设计实验，不能利用自己的知识基础去设计实验
例9小明猜想：浸在液体中的物体受到的浮力大小，可能跟液体密度、物体排開液体的体积、物体的深度有关.他想设计实验，探究浮力大小跟液体密度是否有关.应该控制哪些量不变？
分析虽然从我们已有的知识基础可知，浮力大小跟深度无关.但从实验者的角度出发，因为他猜想深度，说明以他的知识基础，不知道浮力大小跟深度是否有关.所以，设计实验的时候应该控制物体排开液体的体积不变.
1控制确定有关的量不变，属于控制变量
已知无关的量，但为了防止对实验干扰而控制不变的量，不属于控制变量.
例1小明已经知道：音调高低只跟频率有关.他想探究“音调高低跟频率的关系.”
（1）小明认为每次实验都要用相同的力度敲音叉.这么做的目的是：
（2） 控制振幅相同是否属于控制变量？.
（3）如果使用某种仪器能直接测出音调，是否需要控制振幅（响度）相同？.
分析（1）用相同的力度敲，目的是为了控制振幅（响度）相同；（2）因为音调跟振幅无关，所以不属于控制变量；（3）因为这个实验，通常是通过人耳听声音来辨别音调高低，但响度不同，会对人耳辨别音调的高低产生干扰.如果用仪器直接测音调高低，响度不同不会对仪器产生干扰，所以如果使用仪器直接测音调，不需要控制响度相同.
例2小明已经知道：物体的重力势能只跟物体的质量和高度有关.
他想探究“重力势能跟物体质量的关系”.
他想通过比较金属球砸出沙坑的深浅来间接地比较重力势能的大小.
小明认为：应该选择3个质量不同，体积相同的金属球.为什么需要体积相同？.控制体积相同是否属于控制变量？.
分析因为金属球的体积大小会对砸出的沙坑深浅造成影响，为了排除这个因素对实验现象的干扰，所以要控制体积相同.而重力势能的大小跟物体的体积无关，所以这个实验控制体积相同不属于控制变量.
例3小明想比较水和煤油的比热容大小关系.他设计的实验是：用相同的烧杯分别装入质量相同的水和煤油，用相同的酒精灯加热，使水和煤油升高相同的温度.谁加热的时间长，谁的比热容就大.
（1）这个实验为什么要用相同的酒精灯？
（2）这个实验控制了质量相同，烧杯相同，酒精灯相同，升高的温度相同.控制这些因素，是否属于控制变量？为什么.
分析（1）此实验是通过利用相同质量，升高相同温度，比较吸收热量的多少间接比较比热容.而吸收热量的多少是通过加热时间间接反映的.在不考虑热损失的情况下，只有相同的酒精灯才能保证在单位时间内放出的热量相同，从而使水和煤油在单位时间内吸收的热量相同，才能通过比较加热时间间接地比较吸收热量的多少；（2）由于比热容只跟物质的种类有关，跟其它因素无关，所以控制这些因素相同都不属于控制变量，只是排除这些因素对这个实验的干扰.假如是利用某种仪器可以直接测出液体的比热容，则这些因素都不需要控制相同.
2控制变量法在实验结论中的应用
2.1如果实验题目是探究与……是否有关，并猜想与多个可能因素有关
在设计实验时，当探究其中的一个因素时，需要控制其它的猜想因素不变，这属于控制变量法.但探究的这个因素无论最后结果是有关还是无关，其实都不受其它因素的影响，所以探究是否有关的实验结论中不应该写“当……一定时”.
例4小明猜想：浸在液体中的物体受到的浮力大小可能跟深度、液体密度、排开液体的体积有关.
（1）小明设计实验，发现当深度、液体密度不变时，浮力随排开液体的体积变化而变化.
则结论是：
（2） 小明设计实验，发现当液体密度和排开液体的体积不变时，浮力不随深度的变化而变化.
则结论是：
分析有关还是无关，是不受其它因素影响的.实验设计中需要控制变量，只是为了便于得出结论：
（1）浮力大小跟排开液体的体积有关；（2）浮力的大小跟深度无关.
2.2如果实验题目是探究定量或定性的关系，并且已知有多个影响因素
在设计实验时，当探究跟其中的某一个因素影响时，需要控制其它的相关因素不变，这属于控制变量法，在结论中需要写“当……一定时”.
例5小明已经知道液体内部的压强大小跟液体密度和深度有关.他利用U型管压强计探究液体内部压强跟深度的关系.他发现当液体密度一定时，探测端所在的深度越深，U型管中的液柱高度差越大.
则结论是：
分析由于U型管压强计只能粗略地比较液体内部压强的大小，而不能测出压强值，所以用U型管压强计只能定性地探究液体内部压强规律.所以结论是：当液体密度一定时，液体内部压强随深度的增大而增大.
例6小明已经知道滑动摩擦力的大小跟接触面的粗糙程度和压力大小有关.他设计实验探究滑动摩擦力跟压力的定量关系.
则结论是：
分析因为他要探究定量的关系，所以结论是：当接触面的粗糙程度一定时，滑动摩擦力跟压力成正比.
如果要探究定性的关系，则结论是：当接触面的粗糙程度一定时，滑动摩擦力随压力的增大而增大.
3控制变量法在设计实验中的应用
在探究性实验中，应该先探究“是否有关”，确定有关了，再探究具体的关系.
3.1在探究“是否有关”的实验中，猜想的量要控制，没有猜想的量不需要控制
例7小明猜想：液体蒸发快慢可能跟液体温度，液体表面空气流速及液体与空气的接触面积有关.他想探究液体蒸发快慢跟液体温度是否有关.应控制哪些因素相同？
答：应控制液体表面空气流速和液体与空气的接触面积相同.
例8小明猜想：液体蒸发快慢可能跟液体温度、液体表面空气流速、液体与空气的接触面积、液体种类和空气湿度有关.他想探究液体蒸发快慢跟液体温度是否有关.应控制哪些因素相同？
答：应控制液体表面空气流速、液体与空气的接触面积、液体种类和空气湿度相同.
3.2在探究“是否有关”的实验中，要从实验者的角度去设计实验，不能利用自己的知识基础去设计实验
例9小明猜想：浸在液体中的物体受到的浮力大小，可能跟液体密度、物体排開液体的体积、物体的深度有关.他想设计实验，探究浮力大小跟液体密度是否有关.应该控制哪些量不变？
分析虽然从我们已有的知识基础可知，浮力大小跟深度无关.但从实验者的角度出发，因为他猜想深度，说明以他的知识基础，不知道浮力大小跟深度是否有关.所以，设计实验的时候应该控制物体排开液体的体积不变.