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物理中的控制變量法

2023年10月07日

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控制變量法是科學探究的一種方法,它在物理學中應用特別廣泛。控制變量法是指:在研究某個問題(如物理量等)與多種因素的關係時,每次只改變一個因素,保持其他因素不變,通過分析這個改變的因素與所研究問題之間的關係,再分析綜合得出結論(或規律)。
例如:研究電流跟電阻和電壓的關係:首先保持電阻不變,只探究電流和電壓的關係。具體的做法如下:
連接電路,其中定值電阻,滑動變阻器,閉合開關S後,調節滑動變阻器的滑片,使尺兩端電壓成整數倍的變化(如2V、4V、6V等),根據電壓表和電流表的示數即可測出每次加在尺上的電壓值和電流值。分析比較這些數值,就可得出結論:在電阻一定的情況下,導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比。
其次保持電壓不變,只探究電流跟電阻的關係,具體做法如下:
仍利用電路,換用不同的定值電阻,使電阻成整數倍變化,調整變阻器的滑片,保持定值電阻的兩端的電壓不變,這樣就可測出對應於不同阻值的電流值。分析比較這些數值,就可得出結論:在電壓不變的情況下,導體中的電流跟導體的電阻成反比。
綜合上述就得下面的結論:
導體中的電流,跟導體兩端的電壓成正比,跟導體的電阻成反比(I=U/R)。
這個結論是德國物理學家歐姆(G.S.Ohm,1787-1854),在19世紀初期,經過大量實驗得出的,叫做歐姆定律。
在學習物理課中,有很多應用控制變量法的實驗,除上述「研究電流跟電壓和電阻的關係的實驗」外,還有:「研究液體壓強的實驗」、「研究影響蒸發快慢的因素的實驗」、「研究壓力的作用效果的實驗」、「研究影響動能(勢能)大小的因素的實驗」、「研究影響電阻大小的因素的實驗」、「研究焦耳定律的實驗」、「研究電磁鐵的實驗」等等。
在中考試題中也有涉及用「控制變量法」思想的題目,解這類問題的一般方法如下:
1,認真審題,明確題目中所研究的「問題」指的是什麼,找出與該問題相關的「因素」。
2,如果所研究的問題僅與兩個因素有關,則控制其中某個因素不變(即數值相等),分析另一個變化的因素對所提出問題的影響,從而得出結論。
3,如果所研究的問題與三個因素有關,則控制其中的兩個因素不變,分析另一個因素的變化對所研究的問題的影響,從而得出結論。
4,如果所研究的問題與三個以上的因素有關,依次類推。即只改變其中的某一個因素(不包括所研究的問題),其他因素均不變。分析變化的這一個因素與所研究問題的關係,從而得出結論。
例:(2004年山東濟南)在學習吉他演奏的過程中,小華發現琴弦發出聲音的音調高低是受多種因素影響的,他決定對此進行研究。經過和同學們討論,提出了以下猜想:
猜想1:琴弦發出聲音的音調高低,可能與琴弦的橫截面積有關:
猜想2:琴弦發出聲音的音調高低,可能與琴弦的長短有關:
猜想3:琴弦發出聲音的音調高低,可能與琴弦的材料有關。
為了驗證上述猜想是否正確,他們找到了下表所列9種規格的琴弦。因為音調的高低取決於聲源振動的頻率,於是他們借來了一個能夠測量振動頻率的儀器進行實驗。
(2)隨著實驗的進行,小華又覺得琴弦音調高低,可能還與琴弦的鬆緊程度有關,為了驗證這一猜想,必須進行的操作是:______________________________
(3)課本中所涉及的探究實驗中,有些實驗的研究方法與上述方法類似,例如:______________________________
[分析]本題所研究的「問題」是「音調高低」,所涉及的因素有材料、長度、橫截面積。所研究的問題與三個因素有關,所以應控制其中兩個因素不變。
(1)猜想1是研究音調高低(即「問題」)與橫截面積的關係,所以橫截面積這個因素要改變(即數值不同),而另外兩個因素――長度和材料均不變,即材料一樣,長度數值相等。兼顧這i個要求,只能選用編號A 、 B 、 C。
猜想2是研究音調高低與長度的關係,所以長度要改變,而材料和橫截面積必須保持不變,只能選編號A 、 D 、 F。
猜想3是研究音調高低與材料的關係,所以應控制長度與橫截面積不變,而改變材料,觀察表l可知:不同的材料分別是銅、鋼、尼龍。值得注意的是:表中的「鋼」只給了一組數值(80,1.02)。我們要控制長度和橫截面積不變,就是指保持銅、鋼、尼龍三者的長度相同,橫截面積相等,即銅和尼龍的長度和橫截面積應該與鋼的長度和橫截面積等,即(80,1.02)。所以表中所缺的數據為:______________________________ 。
(2)要注意體現控制變量的思想。參考答案如下:選取一根琴弦,用一定大小的力拉緊琴弦,撥動琴弦,測出此時振動的頻率;改用不同的力拉緊琴弦,分別測出相應的振動頻率,進行分析比較。
(3)……

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