探討初中物理電學(xué)中控制變量法的實(shí)際應(yīng)用
一、探究物理規(guī)律中控制變量法的應(yīng)用
歐姆定律是電學(xué)的基礎(chǔ)和重點(diǎn),處于電學(xué)的核心位置。學(xué)生們通過(guò)之前的學(xué)習(xí)掌握了電學(xué)的3個(gè)基本概念:電流、電壓、電阻。它們之間有怎樣的關(guān)系呢?根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求,教材安排了一個(gè)比較完整的探究活動(dòng),涵蓋了探究的3個(gè)要素。其中重點(diǎn)是如何運(yùn)用控制變量法來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn),明確用什么方法保證什么物理量不變,用什么方法改變什么物理量。
1.控制電阻R不變,改變導(dǎo)體兩端電壓U,探究電流I與電壓U之間的關(guān)系
(1)固定電阻值,可保證定值電阻R的阻值不變。
(2)影響導(dǎo)體兩端的電壓值的改變,可用兩種辦法:1.改變電源兩端的電壓,即可改變導(dǎo)體兩端的電壓U。用這個(gè)電路,學(xué)生能夠較為輕松地運(yùn)用控制變量的方法研究電流與電壓的關(guān)系,易于學(xué)生理解和掌握。2.通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,改變電阻R兩端的電壓。要使學(xué)生明確研究對(duì)象是定值電阻這部分電路,滑動(dòng)變阻器的作用是為了使定值電阻兩端的電壓發(fā)生改變。
2.保持導(dǎo)體兩端的電壓U不變,改變電阻R,研究電流與電阻的關(guān)系
(1)用不同的定值電阻可改變電阻R的值。
(2)變動(dòng)電阻R的同時(shí)必須保證導(dǎo)體兩端的電壓不改變,可以采用以下兩種方法:使用同一個(gè)電源,即可保證導(dǎo)體兩端的電壓不變,更換不同的電阻,可直接得出電流與電阻的關(guān)系,降低了探究的難度。但如果實(shí)驗(yàn)中使用的是干電池,電池有內(nèi)阻,外接電阻R變化時(shí),電阻R兩端的電壓也會(huì)隨之變化,給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差。換用阻值不同的電阻R時(shí),若滑動(dòng)變阻器的滑片不動(dòng),定值電阻兩端的電壓會(huì)發(fā)生變化。電壓、電阻都改變,就不能確定究竟是什么因素影響了電流。這一點(diǎn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中容易忽視,教師要注意引導(dǎo)學(xué)生觀察電壓表,使其示數(shù)保持不變。
經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)環(huán)節(jié)的探究,學(xué)生得出導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓和導(dǎo)體的電阻的關(guān)系,便水到渠成了。
二、電學(xué)習(xí)題中控制變量法的運(yùn)用
1.在比較物理量的大小時(shí)用控制變量的思路
例1:已知甲導(dǎo)體的電阻比乙導(dǎo)體的電阻大,把它們并聯(lián)在電路中,比較甲的電功率和乙的電功率。簡(jiǎn)析:求解電功率的公式比較多:P=UI,P=U2/R,P=I2R,學(xué)生分析起來(lái)常常感到無(wú)從下手。電功率與兩個(gè)因素有關(guān)。可引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法的思路解決這類問(wèn)題。關(guān)鍵在于根據(jù)題目意思找到起相同作用的因素,只讓一個(gè)因素發(fā)生變化,再分析電功率與另一個(gè)變量之間的關(guān)系。具體分析如下:并聯(lián)時(shí),各支路兩端電壓相等,所以我們可以選擇P=U2/R或P=UI。已知R甲>R乙,可根據(jù)P=U2R直接得出P甲 也可用另一方法:已知R甲>R乙,由并聯(lián)電路可知I甲 2.在突破動(dòng)態(tài)電路的難點(diǎn)中運(yùn)用控制變量的思路
例2:如圖3所示電路,試分析當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向左移動(dòng)時(shí),電流表和電壓表的示數(shù)如何變化?
簡(jiǎn)析:引導(dǎo)學(xué)生從U=IR入手,電壓與電流和電阻兩個(gè)因素有關(guān),當(dāng)I、R都發(fā)生變化時(shí)(R變小,I變大),很難判定U如何變化。此時(shí)最好運(yùn)用控制變量的思路,保證I、R其中一個(gè)因素不變,只改變另一個(gè)因素。電路中的電流I肯定要發(fā)生改變,所以從定值電阻R入手。電路中的電流I變大,R不變,根據(jù)歐姆定律可知,R兩端的電壓UR變大。電源電壓不變,UR變大,則UC變小。此電路是電學(xué)中的一個(gè)典型的電路,很多中考題都是由此題衍生出來(lái)的。在分析過(guò)程中,學(xué)生普遍感到困難,準(zhǔn)確率低。學(xué)生對(duì)滑片向左移動(dòng)時(shí),滑動(dòng)變阻器的電阻Rc的變化和電路中電流I的變化比較
容易判斷。但對(duì)于UR、UC的變化就感到無(wú)從下手。學(xué)生明白了這樣分析的原因,就會(huì)正確地運(yùn)用控制變量法來(lái)突破難點(diǎn)了。
三、用控制變量法來(lái)學(xué)習(xí)電阻
學(xué)生通過(guò)之前的學(xué)習(xí)掌握了電路的兩個(gè)基本部分:電流及電壓;緊接著學(xué)習(xí)電阻,學(xué)生的壓力不會(huì)很大,但這時(shí)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究物理的方法還沒(méi)什么概念。這時(shí)教師會(huì)根據(jù)課程的要求授完這節(jié)課,然后引入“控制變量法”安排一節(jié)課,有針對(duì)性地講解一些典型例題。
例3:在探究“導(dǎo)體電阻大小與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)時(shí),將一根粗細(xì)均勻的導(dǎo)體截成兩段后分別接入如圖1所示的電路中,這是用來(lái)探究( )。
A、導(dǎo)體電阻與橫截面積的關(guān)系;
B、導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系;
C、導(dǎo)體電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系;
D、導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系。
解析:從題中所給的條件看,兩段導(dǎo)體是同一段導(dǎo)體按不同的長(zhǎng)度截取的,即它們的材料、橫截面積及溫度是相同的,但是長(zhǎng)度不同。這樣學(xué)生就很容易得出答案C。
但學(xué)生要掌握的是:本題由教材上的演示實(shí)驗(yàn)演化而來(lái),這是中考試題常出現(xiàn)的命題來(lái)源,更重要的是,本題中涉及了對(duì)控制變量法的理解和應(yīng)用。
四、在學(xué)習(xí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中利用控制變量法
在總結(jié)“電磁鐵磁性的強(qiáng)弱與什么因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)時(shí),我們會(huì)用到如下圖所示的例題:
例4,如圖所示,這是小明研究“影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱因素”的裝置圖。它由電源、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、帶鐵芯的螺線管和自制的針式刻度板組成。小明在探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn):
一是當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片P向____滑動(dòng)時(shí)(填“左”或“右”),指針B偏轉(zhuǎn)的角度將會(huì)_____(填“變大”或“變小”);二是保持滑片P位置不變,當(dāng)導(dǎo)線a由接線柱2改為與接線柱1相連,閉合開(kāi)關(guān)后,可發(fā)現(xiàn)指針B偏轉(zhuǎn)的角度將會(huì)_____(填“變大”或“變小”)。經(jīng)過(guò)對(duì)電磁鐵的研究,可得出以下結(jié)論:當(dāng)線圈匝數(shù)一定時(shí),通過(guò)電磁鐵的電流越大,電磁鐵磁性______;當(dāng)通過(guò)電磁鐵的電流一定時(shí)______,電磁鐵線圈的匝數(shù)越_____,磁性越 _____。本題節(jié)選自《經(jīng)典學(xué)法頻道》中習(xí)題頻道的一道題。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)采用控制變量法進(jìn)行研究,但在實(shí)驗(yàn)的第二步中改變了線圈的匝數(shù),同時(shí)也改變了螺線管電阻的大小,改變了電路中的電流。所以,在講解這個(gè)實(shí)驗(yàn)的第二步時(shí),對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào):若線圈的長(zhǎng)度不長(zhǎng),電阻忽略不計(jì),當(dāng)導(dǎo)線a由接線柱2改為與接線1 相連,可認(rèn)為電流不改變,可得到當(dāng)通過(guò)電磁鐵的電流一定時(shí),電磁鐵線圈的匝數(shù)越多,磁性越強(qiáng);若線圈的電阻不可忽略,就應(yīng)該在電路中串聯(lián)一個(gè)電流表,當(dāng)導(dǎo)線a由接線柱2改為與接線1相連,通過(guò)調(diào)節(jié)滑片P,使兩次的電流相同,才能得出結(jié)論。
總之,控制變量法作為一種重要的科學(xué)研究方式,不僅在物理中得到很好地運(yùn)用,在生活中也能進(jìn)行有效滲透,為我們解決各種生活中的難題,通過(guò)讓學(xué)生在物理電學(xué)中掌握好控制變量法,對(duì)他們以后的生活和學(xué)習(xí)也是大有裨益的。
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