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探討初中物理電學中控制變量法的實際應用
一、探究物理規律中控制變量法的應用
歐姆定律是電學的基礎和重點,處于電學的核心位置。學生們通過之前的學習掌握了電學的3個基本概念:電流、電壓、電阻。它們之間有怎樣的關系呢?根據新課程標準的要求,教材安排了一個比較完整的探究活動,涵蓋了探究的3個要素。其中重點是如何運用控制變量法來設計整個實驗,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,改變導體兩端電壓U,探究電流I與電壓U之間的關系
(1)固定電阻值,可保證定值電阻R的阻值不變。
(2)影響導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,即可改變導體兩端的電壓U。用這個電路,學生能夠較為輕松地運用控制變量的方法研究電流與電壓的關系,易于學生理解和掌握。2.通過調節滑動變阻器,改變電阻R兩端的電壓。要使學生明確研究對象是定值電阻這部分電路,滑動變阻器的作用是為了使定值電阻兩端的電壓發生改變。
2.保持導體兩端的電壓U不變,改變電阻R,研究電流與電阻的關系
(1)用不同的定值電阻可改變電阻R的值。
(2)變動電阻R的同時必須保證導體兩端的電壓不改變,可以采用以下兩種方法:使用同一個電源,即可保證導體兩端的電壓不變,更換不同的電阻,可直接得出電流與電阻的關系,降低了探究的難度。但如果實驗中使用的是干電池,電池有內阻,外接電阻R變化時,電阻R兩端的電壓也會隨之變化,給實驗帶來誤差。換用阻值不同的電阻R時,若滑動變阻器的滑片不動,定值電阻兩端的電壓會發生變化。電壓、電阻都改變,就不能確定究竟是什么因素影響了電流。這一點學生在實驗中容易忽視,教師要注意引導學生觀察電壓表,使其示數保持不變。
經過以上兩個環節的探究,學生得出導體中的電流與導體兩端的電壓和導體的電阻的關系,便水到渠成了。
二、電學習題中控制變量法的運用
1.在比較物理量的大小時用控制變量的思路
例1:已知甲導體的電阻比乙導體的電阻大,把它們并聯在電路中,比較甲的電功率和乙的電功率。簡析:求解電功率的公式比較多:P=UI,P=U2/R,P=I2R,學生分析起來常常感到無從下手。電功率與兩個因素有關。可引導學生用控制變量法的思路解決這類問題。關鍵在于根據題目意思找到起相同作用的因素,只讓一個因素發生變化,再分析電功率與另一個變量之間的關系。具體分析如下:并聯時,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P=U2R直接得出P甲 也可用另一方法:已知R甲>R乙,由并聯電路可知I甲 2.在突破動態電路的難點中運用控制變量的思路
例2:如圖3所示電路,試分析當滑動變阻器的滑片向左移動時,電流表和電壓表的示數如何變化?
簡析:引導學生從U=IR入手,電壓與電流和電阻兩個因素有關,當I、R都發生變化時(R變小,I變大),很難判定U如何變化。此時最好運用控制變量的思路,保證I、R其中一個因素不變,只改變另一個因素。電路中的電流I肯定要發生改變,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。此電路是電學中的一個典型的電路,很多中考題都是由此題衍生出來的。在分析過程中,學生普遍感到困難,準確率低。學生對滑片向左移動時,滑動變阻器的電阻Rc的變化和電路中電流I的變化比較
容易判斷。但對于UR、UC的變化就感到無從下手。學生明白了這樣分析的原因,就會正確地運用控制變量法來突破難點了。
三、用控制變量法來學習電阻
學生通過之前的學習掌握了電路的兩個基本部分:電流及電壓;緊接著學習電阻,學生的壓力不會很大,但這時學生對科學探究物理的方法還沒什么概念。這時教師會根據課程的要求授完這節課,然后引入“控制變量法”安排一節課,有針對性地講解一些典型例題。
例3:在探究“導體電阻大小與哪些因素有關”的實驗時,將一根粗細均勻的導體截成兩段后分別接入如圖1所示的電路中,這是用來探究( )。
A、導體電阻與橫截面積的關系;
B、導體電阻與材料的關系;
C、導體電阻與長度的關系;
D、導體電阻與溫度的關系。
解析:從題中所給的條件看,兩段導體是同一段導體按不同的長度截取的,即它們的材料、橫截面積及溫度是相同的,但是長度不同。這樣學生就很容易得出答案C。
但學生要掌握的是:本題由教材上的演示實驗演化而來,這是中考試題常出現的命題來源,更重要的是,本題中涉及了對控制變量法的理解和應用。
四、在學習電學實驗中利用控制變量法
在總結“電磁鐵磁性的強弱與什么因素有關”的實驗時,我們會用到如下圖所示的例題:
例4,如圖所示,這是小明研究“影響電磁鐵磁性強弱因素”的裝置圖。它由電源、滑動變阻器、開關、帶鐵芯的螺線管和自制的針式刻度板組成。小明在探究過程中發現:
一是當滑動變阻器的滑片P向____滑動時(填“左”或“右”),指針B偏轉的角度將會_____(填“變大”或“變小”);二是保持滑片P位置不變,當導線a由接線柱2改為與接線柱1相連,閉合開關后,可發現指針B偏轉的角度將會_____(填“變大”或“變小”)。經過對電磁鐵的研究,可得出以下結論:當線圈匝數一定時,通過電磁鐵的電流越大,電磁鐵磁性______;當通過電磁鐵的電流一定時______,電磁鐵線圈的匝數越_____,磁性越 _____。本題節選自《經典學法頻道》中習題頻道的一道題。整個實驗過程應采用控制變量法進行研究,但在實驗的第二步中改變了線圈的匝數,同時也改變了螺線管電阻的大小,改變了電路中的電流。所以,在講解這個實驗的第二步時,對學生強調:若線圈的長度不長,電阻忽略不計,當導線a由接線柱2改為與接線1 相連,可認為電流不改變,可得到當通過電磁鐵的電流一定時,電磁鐵線圈的匝數越多,磁性越強;若線圈的電阻不可忽略,就應該在電路中串聯一個電流表,當導線a由接線柱2改為與接線1相連,通過調節滑片P,使兩次的電流相同,才能得出結論。
總之,控制變量法作為一種重要的科學研究方式,不僅在物理中得到很好地運用,在生活中也能進行有效滲透,為我們解決各種生活中的難題,通過讓學生在物理電學中掌握好控制變量法,對他們以后的生活和學習也是大有裨益的。
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