張文馨

物理學(xué)中對(duì)于多因素（多變量）問(wèn)題的處理，常常采用控制因素（變量）的方法，把多因素的問(wèn)題變成多個(gè)單因素的問(wèn)題.每一次只改變其中的某一個(gè)因素，而控制其余幾個(gè)因素不變，從而研究被改變的這個(gè)因素對(duì)事物的影響，分別加以研究，最后再綜合解決，這種方法叫控制變量法.它是科學(xué)探究中的重要思想方法，廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之中.在平時(shí)的物理教學(xué)中，很多探究性實(shí)驗(yàn)都用到了控制變量法.本文探討如何正確理解控制變量法，以及控制變量法在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論中的應(yīng)用.

1控制確定有關(guān)的量不變，屬于控制變量

已知無(wú)關(guān)的量，但為了防止對(duì)實(shí)驗(yàn)干擾而控制不變的量，不屬于控制變量.

例1小明已經(jīng)知道：音調(diào)高低只跟頻率有關(guān).他想探究“音調(diào)高低跟頻率的關(guān)系.”

（1）小明認(rèn)為每次實(shí)驗(yàn)都要用相同的力度敲音叉.這么做的目的是：

（2） 控制振幅相同是否屬于控制變量？.

（3）如果使用某種儀器能直接測(cè)出音調(diào)，是否需要控制振幅（響度）相同？.

分析（1）用相同的力度敲，目的是為了控制振幅（響度）相同；（2）因?yàn)橐粽{(diào)跟振幅無(wú)關(guān)，所以不屬于控制變量；（3）因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)，通常是通過(guò)人耳聽(tīng)聲音來(lái)辨別音調(diào)高低，但響度不同，會(huì)對(duì)人耳辨別音調(diào)的高低產(chǎn)生干擾.如果用儀器直接測(cè)音調(diào)高低，響度不同不會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)生干擾，所以如果使用儀器直接測(cè)音調(diào)，不需要控制響度相同.

例2小明已經(jīng)知道：物體的重力勢(shì)能只跟物體的質(zhì)量和高度有關(guān).

他想探究“重力勢(shì)能跟物體質(zhì)量的關(guān)系”.

他想通過(guò)比較金屬球砸出沙坑的深淺來(lái)間接地比較重力勢(shì)能的大小.

小明認(rèn)為：應(yīng)該選擇3個(gè)質(zhì)量不同，體積相同的金屬球.為什么需要體積相同？.控制體積相同是否屬于控制變量？.

分析因?yàn)榻饘偾虻捏w積大小會(huì)對(duì)砸出的沙坑深淺造成影響，為了排除這個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾，所以要控制體積相同.而重力勢(shì)能的大小跟物體的體積無(wú)關(guān)，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)控制體積相同不屬于控制變量.

例3小明想比較水和煤油的比熱容大小關(guān)系.他設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是：用相同的燒杯分別裝入質(zhì)量相同的水和煤油，用相同的酒精燈加熱，使水和煤油升高相同的溫度.誰(shuí)加熱的時(shí)間長(zhǎng)，誰(shuí)的比熱容就大.

（1）這個(gè)實(shí)驗(yàn)為什么要用相同的酒精燈？

（2）這個(gè)實(shí)驗(yàn)控制了質(zhì)量相同，燒杯相同，酒精燈相同，升高的溫度相同.控制這些因素，是否屬于控制變量？為什么.

分析（1）此實(shí)驗(yàn)是通過(guò)利用相同質(zhì)量，升高相同溫度，比較吸收熱量的多少間接比較比熱容.而吸收熱量的多少是通過(guò)加熱時(shí)間間接反映的.在不考慮熱損失的情況下，只有相同的酒精燈才能保證在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量相同，從而使水和煤油在單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量相同，才能通過(guò)比較加熱時(shí)間間接地比較吸收熱量的多少；（2）由于比熱容只跟物質(zhì)的種類有關(guān)，跟其它因素?zé)o關(guān)，所以控制這些因素相同都不屬于控制變量，只是排除這些因素對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的干擾.假如是利用某種儀器可以直接測(cè)出液體的比熱容，則這些因素都不需要控制相同.

2控制變量法在實(shí)驗(yàn)結(jié)論中的應(yīng)用

2.1如果實(shí)驗(yàn)題目是探究與……是否有關(guān)，并猜想與多個(gè)可能因素有關(guān)

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)探究其中的一個(gè)因素時(shí)，需要控制其它的猜想因素不變，這屬于控制變量法.但探究的這個(gè)因素?zé)o論最后結(jié)果是有關(guān)還是無(wú)關(guān)，其實(shí)都不受其它因素的影響，所以探究是否有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論中不應(yīng)該寫(xiě)“當(dāng)……一定時(shí)”.

例4小明猜想：浸在液體中的物體受到的浮力大小可能跟深度、液體密度、排開(kāi)液體的體積有關(guān).

（1）小明設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)深度、液體密度不變時(shí)，浮力隨排開(kāi)液體的體積變化而變化.

則結(jié)論是：

（2） 小明設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液體密度和排開(kāi)液體的體積不變時(shí)，浮力不隨深度的變化而變化.

則結(jié)論是：

分析有關(guān)還是無(wú)關(guān)，是不受其它因素影響的.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中需要控制變量，只是為了便于得出結(jié)論：

（1）浮力大小跟排開(kāi)液體的體積有關(guān)；（2）浮力的大小跟深度無(wú)關(guān).

2.2如果實(shí)驗(yàn)題目是探究定量或定性的關(guān)系，并且已知有多個(gè)影響因素

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)探究跟其中的某一個(gè)因素影響時(shí)，需要控制其它的相關(guān)因素不變，這屬于控制變量法，在結(jié)論中需要寫(xiě)“當(dāng)……一定時(shí)”.

例5小明已經(jīng)知道液體內(nèi)部的壓強(qiáng)大小跟液體密度和深度有關(guān).他利用U型管壓強(qiáng)計(jì)探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)跟深度的關(guān)系.他發(fā)現(xiàn)當(dāng)液體密度一定時(shí)，探測(cè)端所在的深度越深，U型管中的液柱高度差越大.

則結(jié)論是：

分析由于U型管壓強(qiáng)計(jì)只能粗略地比較液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小，而不能測(cè)出壓強(qiáng)值，所以用U型管壓強(qiáng)計(jì)只能定性地探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)規(guī)律.所以結(jié)論是：當(dāng)液體密度一定時(shí)，液體內(nèi)部壓強(qiáng)隨深度的增大而增大.

例6小明已經(jīng)知道滑動(dòng)摩擦力的大小跟接觸面的粗糙程度和壓力大小有關(guān).他設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究滑動(dòng)摩擦力跟壓力的定量關(guān)系.

則結(jié)論是：

分析因?yàn)樗骄慷康年P(guān)系，所以結(jié)論是：當(dāng)接觸面的粗糙程度一定時(shí)，滑動(dòng)摩擦力跟壓力成正比.

如果要探究定性的關(guān)系，則結(jié)論是：當(dāng)接觸面的粗糙程度一定時(shí)，滑動(dòng)摩擦力隨壓力的增大而增大.

3控制變量法在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在探究性實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)該先探究“是否有關(guān)”，確定有關(guān)了，再探究具體的關(guān)系.

3.1在探究“是否有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中，猜想的量要控制，沒(méi)有猜想的量不需要控制

例7小明猜想：液體蒸發(fā)快慢可能跟液體溫度，液體表面空氣流速及液體與空氣的接觸面積有關(guān).他想探究液體蒸發(fā)快慢跟液體溫度是否有關(guān).應(yīng)控制哪些因素相同？

答：應(yīng)控制液體表面空氣流速和液體與空氣的接觸面積相同.

例8小明猜想：液體蒸發(fā)快慢可能跟液體溫度、液體表面空氣流速、液體與空氣的接觸面積、液體種類和空氣濕度有關(guān).他想探究液體蒸發(fā)快慢跟液體溫度是否有關(guān).應(yīng)控制哪些因素相同？

答：應(yīng)控制液體表面空氣流速、液體與空氣的接觸面積、液體種類和空氣濕度相同.

3.2在探究“是否有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中，要從實(shí)驗(yàn)者的角度去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，不能利用自己的知識(shí)基礎(chǔ)去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

例9小明猜想：浸在液體中的物體受到的浮力大小，可能跟液體密度、物體排開(kāi)液體的體積、物體的深度有關(guān).他想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究浮力大小跟液體密度是否有關(guān).應(yīng)該控制哪些量不變？

分析雖然從我們已有的知識(shí)基礎(chǔ)可知，浮力大小跟深度無(wú)關(guān).但從實(shí)驗(yàn)者的角度出發(fā)，因?yàn)樗孪肷疃?，說(shuō)明以他的知識(shí)基礎(chǔ)，不知道浮力大小跟深度是否有關(guān).所以，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候應(yīng)該控制物體排開(kāi)液體的體積不變.