張文馨

物理學中對于多因素（多變量）問題的處理，常常采用控制因素（變量）的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題.每一次只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，分別加以研究，最后再綜合解決，這種方法叫控制變量法.它是科學探究中的重要思想方法，廣泛地運用在各種科學探索和科學實驗研究之中.在平時的物理教學中，很多探究性實驗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驗設計和實驗結(jié)論中的應用.

1控制確定有關(guān)的量不變，屬于控制變量

已知無關(guān)的量，但為了防止對實驗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）小明認為每次實驗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）因為音調(diào)跟振幅無關(guān)，所以不屬于控制變量；（3）因為這個實驗，通常是通過人耳聽聲音來辨別音調(diào)高低，但響度不同，會對人耳辨別音調(diào)的高低產(chǎn)生干擾.如果用儀器直接測音調(diào)高低，響度不同不會對儀器產(chǎn)生干擾，所以如果使用儀器直接測音調(diào)，不需要控制響度相同.

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

他想探究“重力勢能跟物體質(zhì)量的關(guān)系”.

他想通過比較金屬球砸出沙坑的深淺來間接地比較重力勢能的大小.

小明認為：應該選擇3個質(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？.

分析因為金屬球的體積大小會對砸出的沙坑深淺造成影響，為了排除這個因素對實驗現(xiàn)象的干擾，所以要控制體積相同.而重力勢能的大小跟物體的體積無關(guān)，所以這個實驗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.他設計的實驗是：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.誰加熱的時間長，誰的比熱容就大.

（1）這個實驗為什么要用相同的酒精燈？

（2）這個實驗控制了質(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）此實驗是通過利用相同質(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加熱時間間接反映的.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間內(nèi)放出的熱量相同，從而使水和煤油在單位時間內(nèi)吸收的熱量相同，才能通過比較加熱時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)，跟其它因素無關(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這個實驗的干擾.假如是利用某種儀器可以直接測出液體的比熱容，則這些因素都不需要控制相同.

2控制變量法在實驗結(jié)論中的應用

2.1如果實驗題目是探究與……是否有關(guān)，并猜想與多個可能因素有關(guān)

在設計實驗時，當探究其中的一個因素時，需要控制其它的猜想因素不變，這屬于控制變量法.但探究的這個因素無論最后結(jié)果是有關(guān)還是無關(guān)，其實都不受其它因素的影響，所以探究是否有關(guān)的實驗結(jié)論中不應該寫“當……一定時”.

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、排開液體的體積有關(guān).

（1）小明設計實驗，發(fā)現(xiàn)當深度、液體密度不變時，浮力隨排開液體的體積變化而變化.

則結(jié)論是：

（2） 小明設計實驗，發(fā)現(xiàn)當液體密度和排開液體的體積不變時，浮力不隨深度的變化而變化.

則結(jié)論是：

分析有關(guān)還是無關(guān)，是不受其它因素影響的.實驗設計中需要控制變量，只是為了便于得出結(jié)論：

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

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

在設計實驗時，當探究跟其中的某一個因素影響時，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“當……一定時”.

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

則結(jié)論是：

分析由于U型管壓強計只能粗略地比較液體內(nèi)部壓強的大小，而不能測出壓強值，所以用U型管壓強計只能定性地探究液體內(nèi)部壓強規(guī)律.所以結(jié)論是：當液體密度一定時，液體內(nèi)部壓強隨深度的增大而增大.

例6小明已經(jīng)知道滑動摩擦力的大小跟接觸面的粗糙程度和壓力大小有關(guān).他設計實驗探究滑動摩擦力跟壓力的定量關(guān)系.

則結(jié)論是：

分析因為他要探究定量的關(guān)系，所以結(jié)論是：當接觸面的粗糙程度一定時，滑動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：當接觸面的粗糙程度一定時，滑動摩擦力隨壓力的增大而增大.

3控制變量法在設計實驗中的應用

在探究性實驗中，應該先探究“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)”的實驗中，猜想的量要控制，沒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).應控制哪些因素相同？

答：應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).應控制哪些因素相同？

答：應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)”的實驗中，要從實驗者的角度去設計實驗，不能利用自己的知識基礎去設計實驗

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、物體排開液體的體積、物體的深度有關(guān).他想設計實驗，探究浮力大小跟液體密度是否有關(guān).應該控制哪些量不變？

分析雖然從我們已有的知識基礎可知，浮力大小跟深度無關(guān).但從實驗者的角度出發(fā)，因為他猜想深度，說明以他的知識基礎，不知道浮力大小跟深度是否有關(guān).所以，設計實驗的時候應該控制物體排開液體的體積不變.