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探讨初中物理电学中控制变量法的实际应用
一、探究物理规律中控制变量法的应用
欧姆定律是电学的基础和重点,处于电学的核心位置。学生们通过之前的学习掌握了电学的3个基本概念:电流、电压、电阻。它们之间有怎样的关系呢?根据新课程标准的要求,教材安排了一个比较完整的探究活动,涵盖了探究的3个要素。其中重点是如何运用控制变量法来设计整个实验,明确用什么方法保证什么物理量不变,用什么方法改变什么物理量。
1.控制电阻R不变,改变导体两端电压U,探究电流I与电压U之间的关系
(1)固定电阻值,可保证定值电阻R的阻值不变。
(2)影响导体两端的电压值的改变,可用两种办法:1.改变电源两端的电压,即可改变导体两端的电压U。用这个电路,学生能够较为轻松地运用控制变量的方法研究电流与电压的关系,易于学生理解和掌握。2.通过调节滑动变阻器,改变电阻R两端的电压。要使学生明确研究对象是定值电阻这部分电路,滑动变阻器的作用是为了使定值电阻两端的电压发生改变。
2.保持导体两端的电压U不变,改变电阻R,研究电流与电阻的关系
(1)用不同的定值电阻可改变电阻R的值。
(2)变动电阻R的同时必须保证导体两端的电压不改变,可以采用以下两种方法:使用同一个电源,即可保证导体两端的电压不变,更换不同的电阻,可直接得出电流与电阻的关系,降低了探究的难度。但如果实验中使用的是干电池,电池有内阻,外接电阻R变化时,电阻R两端的电压也会随之变化,给实验带来误差。换用阻值不同的电阻R时,若滑动变阻器的滑片不动,定值电阻两端的电压会发生变化。电压、电阻都改变,就不能确定究竟是什么因素影响了电流。这一点学生在实验中容易忽视,教师要注意引导学生观察电压表,使其示数保持不变。
经过以上两个环节的探究,学生得出导体中的电流与导体两端的电压和导体的电阻的关系,便水到渠成了。
二、电学习题中控制变量法的运用
1.在比较物理量的大小时用控制变量的思路
例1:已知甲导体的电阻比乙导体的电阻大,把它们并联在电路中,比较甲的电功率和乙的电功率。简析:求解电功率的公式比较多:P=UI,P=U2/R,P=I2R,学生分析起来常常感到无从下手。电功率与两个因素有关。可引导学生用控制变量法的思路解决这类问题。关键在于根据题目意思找到起相同作用的因素,只让一个因素发生变化,再分析电功率与另一个变量之间的关系。具体分析如下:并联时,各支路两端电压相等,所以我们可以选择P=U2/R或P=UI。已知R甲>R乙,可根据P=U2R直接得出P甲 也可用另一方法:已知R甲>R乙,由并联电路可知I甲 2.在突破动态电路的难点中运用控制变量的思路
例2:如图3所示电路,试分析当滑动变阻器的滑片向左移动时,电流表和电压表的示数如何变化?
简析:引导学生从U=IR入手,电压与电流和电阻两个因素有关,当I、R都发生变化时(R变小,I变大),很难判定U如何变化。此时最好运用控制变量的思路,保证I、R其中一个因素不变,只改变另一个因素。电路中的电流I肯定要发生改变,所以从定值电阻R入手。电路中的电流I变大,R不变,根据欧姆定律可知,R两端的电压UR变大。电源电压不变,UR变大,则UC变小。此电路是电学中的一个典型的电路,很多中考题都是由此题衍生出来的。在分析过程中,学生普遍感到困难,准确率低。学生对滑片向左移动时,滑动变阻器的电阻Rc的变化和电路中电流I的变化比较
容易判断。但对于UR、UC的变化就感到无从下手。学生明白了这样分析的原因,就会正确地运用控制变量法来突破难点了。
三、用控制变量法来学习电阻
学生通过之前的学习掌握了电路的两个基本部分:电流及电压;紧接着学习电阻,学生的压力不会很大,但这时学生对科学探究物理的方法还没什么概念。这时教师会根据课程的要求授完这节课,然后引入“控制变量法”安排一节课,有针对性地讲解一些典型例题。
例3:在探究“导体电阻大小与哪些因素有关”的实验时,将一根粗细均匀的导体截成两段后分别接入如图1所示的电路中,这是用来探究( )。
A、导体电阻与横截面积的关系;
B、导体电阻与材料的关系;
C、导体电阻与长度的关系;
D、导体电阻与温度的关系。
解析:从题中所给的条件看,两段导体是同一段导体按不同的长度截取的,即它们的材料、横截面积及温度是相同的,但是长度不同。这样学生就很容易得出答案C。
但学生要掌握的是:本题由教材上的演示实验演化而来,这是中考试题常出现的命题来源,更重要的是,本题中涉及了对控制变量法的理解和应用。
四、在学习电学实验中利用控制变量法
在总结“电磁铁磁性的强弱与什么因素有关”的实验时,我们会用到如下图所示的例题:
例4,如图所示,这是小明研究“影响电磁铁磁性强弱因素”的装置图。它由电源、滑动变阻器、开关、带铁芯的螺线管和自制的针式刻度板组成。小明在探究过程中发现:
一是当滑动变阻器的滑片P向____滑动时(填“左”或“右”),指针B偏转的角度将会_____(填“变大”或“变小”);二是保持滑片P位置不变,当导线a由接线柱2改为与接线柱1相连,闭合开关后,可发现指针B偏转的角度将会_____(填“变大”或“变小”)。经过对电磁铁的研究,可得出以下结论:当线圈匝数一定时,通过电磁铁的电流越大,电磁铁磁性______;当通过电磁铁的电流一定时______,电磁铁线圈的匝数越_____,磁性越 _____。本题节选自《经典学法频道》中习题频道的一道题。整个实验过程应采用控制变量法进行研究,但在实验的第二步中改变了线圈的匝数,同时也改变了螺线管电阻的大小,改变了电路中的电流。所以,在讲解这个实验的第二步时,对学生强调:若线圈的长度不长,电阻忽略不计,当导线a由接线柱2改为与接线1 相连,可认为电流不改变,可得到当通过电磁铁的电流一定时,电磁铁线圈的匝数越多,磁性越强;若线圈的电阻不可忽略,就应该在电路中串联一个电流表,当导线a由接线柱2改为与接线1相连,通过调节滑片P,使两次的电流相同,才能得出结论。
总之,控制变量法作为一种重要的科学研究方式,不仅在物理中得到很好地运用,在生活中也能进行有效渗透,为我们解决各种生活中的难题,通过让学生在物理电学中掌握好控制变量法,对他们以后的生活和学习也是大有裨益的。
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