控制变量法巧解探究题

董文化

作为一种新的题型，探究题经常出现在中考试题中，而且越来越频繁。探究过程主要包括七个要素：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析和论证、评估、交流与合作。中考往往只是对探究过程中的一个或两个要素进行考查，但学生却要掌握探究过程中的所有七个要素。为了能熟练地掌握解探究题的方法，学生往往要做大量探究型的题目，却因不得要领而陷入题海。能否找到一种较为理想的解探究题的方法呢？利用控制变量法就能较好地解决这类问题。

物理学习中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的办法，把多因素的问题变成多个单因素的问题，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。通常，可以用字母来表示控制变量法：某物理量A与物理量B及C有关，为了研究A与B的关系，则控制C的大小不变，改变B的大小，观察A随B的大小的改变情况；为了研究A与C的关系，则控制B的大小不变，改变C的大小，观察A随C的大小的改变情况；最后，总结得出A与B、C之间存在的规律。那么，如何运用控制变量法来解探究题呢？下面结合一些例题进行说明。

1. 提出问题

如何就题中的探究过程提出问题？解答此类题时，关键是找出影响物理量A的另外两个量B和C，只有找到这些物理量，才能有针对性地提问。找相关的物理量时，可以依据已经学过的知识或试题提供的材料。常用的表述是：物理量A与物理量B及C有关吗？

（1）根据学过的知识找物理量提问

例1探究“滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关”时，如何提出问题呢？

分析：这个实验中，物理量A即是滑动摩擦力，影响滑动摩擦力大小A的两个因素有压力B和接触面的粗糙程度C。针对这个实验的提问可表述为：滑动摩擦力的大小跟压力大小和接触面的粗糙程度有关吗？

与此类似的还有：探究压力的作用效果（压强的大小）与哪些因素有关的实验，提问为“压力的作用效果（压强的大小）与压力的大小和受力面积有关吗？”等等。

（2）从试题内容中找物理量提问

例2小红学习了电磁感应现象后思考：产生的感应电流的大小与什么有关呢？于是，她开始做实验，首先按照课堂上探究电磁感应的实验装置（如图1）重新安装了仪器，并且准备了磁性强弱不同的磁铁，以便改变磁场的强弱。闭合电路后，她先改变导体在磁场中运动的快慢，观察电流表摆动的幅度大小，她最后发现导体在磁场中运动的速度越大，电流表的指针摆动幅度越大；然后她又保持导体的运动速度不变，换用磁性较强的磁铁来做实验，发现磁性越强，电流表指针摆动的幅度越大。对于这个重大的发现，她高兴不已。通过以上的阅读，请你就小红的探究进行提问？

分析：从题中可知，物理量A即是感应电流的大小，影响它的因素有导体在磁场中运动的速度大小（B）、磁场的强弱（C）。于是，提问可表述为：产生的感应电流的大小与导体在磁场中运动的速度及磁场的强弱有关吗？

2. 猜想与假设

猜想与假设是对探究的方向和可能出现的实验结果进行推测与假设，是对物理量A与B或物理量A与C之间定量关系的描述，为接下来的探究指明研究的方向。这个过程的解答与提出问题一样，必须知道有哪些物理量，只有明确了物理量才能进行猜想或假设。常用的表述是：当B一定时，物理量C越大则A的值会越小（或越大）；当C一定时，物理量B越大则A的值会越小（或越大）。

例在生活、生产中，我们常遇到图2所示的事例：打桩机打桩时重锤被高高拉起又下落，打在桩面上。小军看到打桩机，思考“重锤对桩面打击力的大小与什么因素有关”时，会提出什么合理猜想？

分析：该题中，物理量A是锤对桩面的打击力，影响重锤对桩面的的打击力A的物理量重锤的质量、重锤所处的高度（或重锤的下落速度）。

找出了物理量，就可以得到合理的猜想是：重锤的质量越大，重锤对桩面的打击力就越大或重锤所处的高度（或下落速度）越大，重锤对桩面的打击力就越大。

3. 制定计划与设计实验

设计实验是对前面的猜想进行具体安排的过程，因为猜想中已经对物理量之间可能的关系有了描述，那么在设计时则要根据控制变量法细化每个步骤。一般表述是：控制物理量B的大小不变，改变C的大小，观察A的大小的变化；控制物理量C的大小不变，改变B的大小，观察A的大小的变化。

例1物理兴趣小组做“探究导体电阻大小与导体长度的关系” 实验。他们在如图3所示电路中的A、B两点间接入待研究的电阻丝，电源电压恒定。忽略电阻丝电阻随温度变化的影响，待研究的电阻丝的规格如下表。

（1）他们应选择序号为_________________的两根电阻丝来研究。

（2）从表中所给电阻丝的规格看，还可以用这些电阻丝来做另一个探究实验，即探究导体电阻大小与导体___________________________的关系，应该选择序号为_____________________的两根电阻丝来做实验。

分析：影响导体电阻大小的因素从表中就可以知道，即材料、长度、横截面积（温度影响忽略）。本题探究的是“导体电阻大小与导体长度的关系”，所以，根据控制变量法，必须控制“材料”与“横截面积”不变，由此即可确定第（1）问的答案是：3和4。利用控制变量法同样可以得出第（2）问中第1个空填横截面积，第2个空填2和4。

例2张庆在学习了比热容的知识后，想知道牛奶与豆浆的比热容哪一个大。他查找了相关资料但没有找到这两种液体的比热容，于是他又去请教老师。老师把他带到了实验室，拿出两个完全相同的电加热器、烧杯、温度计，另外给他两杯初温相同的豆浆和牛奶，鼓励他通过实验寻找答案。

实验中，他应保证牛奶与豆浆的质量相同、_____________相同，并通过观察________________________来判断牛奶与豆浆的比热容大小。

分析：该题中影响比热容大小的因素有三个（质量、温度、热量），即物理量A与三个物理量B、C、D之间存在着关系。题目中已经控制了质量不变，因此，只需要研究比热容与温度及热量之间的关系。

答法一：吸收热量（或加热时间）；温度变化量（或末温）；

答法二：温度变化量（或末温）；吸收热量（或加热时间）。

4. 进行实验与收集证据

该过程主要是依据设计好的实验进行操作，设计实验记录表格，记录下实验的有关数据，题目多以填写表格和设计表格的形式出现。在解答这类题目时，同学们往往对设计表格把握不好。利用控制变量法则可以较好地解决这一问题，设计实验记录表格时，应将所有的物理量都设计进去，并注意表格的科学性，还要注意设计多次实验来减小误差。

例根据生活经验，我们猜想：物体温度升高吸收热量的多少可能与质量和物质的种类有关。为了验证猜想，我们制定了两个计划：

A． 让研究对象都升高相同的温度，然后比较它们吸收热量的多少。

B． 让研究对象都吸收相同的热量，然后比较它们升高温度的高低。

从上述的两个计划中，任选一个，将下面的实验记录表格设计完整（表格中空出了三列，你可以只用两列，也可以用三列；如果你认为你所列的项目要添加数值，你也可以根据题意添加）。

我选择的是（）（选填“A”或“B”），我设计的实验表格如下：

分析：该题实际是一个探究不同物质吸热多少与什么因素有关的题目。根据控制变量法的原理可以知道，影响吸热多少的因素有物质种类、物体质量、升高的温度。也就是说，表格中应反映出四个物理量的数据，还缺少“升高的温度、吸收的热量”这两个数据，补充表格时，要注意使升高的温度保持不变（或使加热时间保持不变）。答案如下：

5. 分析和论证

分析和论证是对实验中的数据进行总结，并得出结论，实际上就是对前面提出的猜想或假设的回答。根据控制变量法来表述结论的常用语句是：通过探究得出，物理量A与物理量B、C均有关，当B不变时，物理量A随C的增大而增大（或减小）；当C不变时，物理量A随B的增大而增大（或减小）。叙述中增加“当B（C）不变时”，是控制变量法在结论叙述中的具体体现。

例为探究电磁铁的磁性跟哪些因素有关，小聪所在的实验小组用漆包线（表面涂有绝缘漆的导线）在大铁钉上绕若干圈，制成简单的电磁铁，结合其他实验器材做了如图4所示的实验。（电源电压相同）

根据b、c、d中观察到的情况，完成下面的填空：

（1）通过比较_______两种情况，可以知道通过的电流越大，电磁铁的磁性越强。

（2）通过比较d中甲、乙两个电磁铁，你能得出的结论是______________________。

分析：本题中制作电磁铁的铁钉是相同的，所以影响电磁铁磁性强弱的因素只有两个：一个是电流大小，另一个是电磁铁上线圈的匝数。a、b、c及d中乙电磁铁上的线圈匝数相同；d中甲、乙两个电磁铁的线圈是串联的，电流相同；b图中变阻器电阻比c图中大，b中电流小于c中电流。根据电磁铁吸引小铁钉的多少，即可得出答案：（1）bc。（2）制作材料相同的电磁铁，当通过相同的电流时，线圈匝数越多，磁性越强。

6. 评估与合作交流

探究题对评估和合作交流的考查一般是同时进行的，利用控制变量法解有关评估与合作交流类题目时，重点是从变量B、C的测量方法是否科学，设计的实验步骤是否会造成较大误差，设计的表格是否合理，是否进行了多次实验，得出的结论是否科学等方面进行分析。

例1交流与评估是科学探究的一个重要环节。某校初中八（2）班的同学，利用如图5所示的实验装置完成了“测滑轮组机械效率”的实验以后，进行了小组交流。下表是各个小组的实验数据记录。

请你对表中各个小组的实验数据进行分析比较，回答下列问题：

（1）第1、第2两个小组的动滑轮重相同，钩码重也相同，但是测出的滑轮组的效率却不同，可能的原因是：

①__________________

_______________________；

②__________________

_______________________。

（2）请你就如何提高滑轮组的机械效率问题提出自己的合理建议：

①_________________________________________；

②_________________________________________；

③_________________________________________。

分析：第（1）问是对实验步骤操作是否科学进行考查。答案是：①滑轮和轮与轴之间的摩擦力大小不同；②测量拉力时没有使弹簧测力计匀速上升，造成测力不准确。第（2）问则是根据所学知识及探究的数据与同学进行交流，提出提高机械效率的建议。答案为：①选用较轻的动滑轮组装滑轮组；②保持良好的润滑，以减小摩擦力；③对于给定的滑轮组，加大提起物体的重量以提高效率。

例2图6是某探究实验中的三个电路图，请仔细观察后回答。

夏荷同学探究出的结论是：串联电路中的总电压大于任何一个用电器两端的电压。秋宁同学的结论是：串联电路中的总电压等于各个用电器两端的电压之和。对他们的结论，你如何评估？

分析：两位同学的结论都正确，但秋宁同学的结论更全面。秋宁同学总结出了串联电路中的总电压与电路中各用电器两端电压之间的定量的关系，包含了夏荷同学的结论。