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物理学实验控制变量教学案例

一、控制变量法：物理学研究的基石

物理学作为一门以实验为基础的自然科学，其核心在于探究物质的运动规律及其内在联系。然而，自然界的物理现象往往错综复杂，一个物理量的变化往往受到多个因素的影响。要清晰地揭示某个因素对研究对象的影响，控制变量法便成为了不可或缺的研究方法。其核心思想在于，当研究多个因素对某一物理量的影响时，通过人为干预，使其他因素保持不变，只改变其中一个因素，观察该物理量的变化，从而确定被改变的因素与研究对象之间的关系。这种方法，如同在纷繁复杂的现象中抽丝剥茧，帮助我们抓住事物的本质联系，是科学探究能力培养的重要载体。

二、教学案例：影响滑动摩擦力大小的因素探究

（一）案例背景与教学目标

滑动摩擦力是初中物理力学部分的重要概念，学生在日常生活中对此有初步感知，但对其影响因素的认识可能较为模糊或存在误区。本案例旨在通过实验探究，引导学生运用控制变量法，自主发现影响滑动摩擦力大小的主要因素，深化对摩擦力概念的理解，并初步掌握科学探究的基本流程和方法。

核心教学目标：

1.知识与技能：通过实验探究，知道滑动摩擦力的大小与压力大小及接触面的粗糙程度有关。

2.过程与方法：体验运用控制变量法探究物理规律的过程，学习设计简单的探究实验，培养观察、分析和归纳能力。

3.情感态度与价值观：激发探究物理现象的兴趣，培养实事求是的科学态度和合作交流精神。

（二）实验原理与器材准备

实验原理简述：

当物体在另一物体表面上做匀速直线运动时，根据二力平衡条件，物体所受的滑动摩擦力大小等于弹簧测力计对物体的拉力大小。因此，通过弹簧测力计测出物体匀速运动时的拉力，即可间接得到滑动摩擦力的大小。

主要实验器材：

长方体木块（作为研究对象）

长木板（提供不同粗糙程度的接触面，或配合毛巾、砂纸等改变粗糙程度）

弹簧测力计（量程合适，已校零）

砝码（或其他已知质量的重物，用于改变压力大小）

水平桌面（提供稳定的实验平台）

（三）实验探究过程与变量控制

1.提出问题与猜想假设

教师引导：“我们推桌子时，桌子越重越难推；在冰面上行走比在水泥地上容易滑倒。这些现象都与摩擦力有关。那么，滑动摩擦力的大小究竟与哪些因素有关呢？”

鼓励学生根据生活经验提出猜想，常见的猜想可能包括：与物体的重量（压力）有关、与接触面的光滑程度（粗糙程度）有关、与物体的运动速度有关、与接触面积的大小有关等。教师对学生的猜想进行梳理，聚焦于几个主要因素。

2.明确变量与实验设计思路

教师引导学生明确：

研究对象：木块在木板上滑动时受到的滑动摩擦力。

因变量：滑动摩擦力的大小（通过弹簧测力计示数反映）。

自变量：根据猜想，可能有压力大小、接触面粗糙程度、接触面积、运动速度等。

控制变量：在探究某一个自变量对因变量的影响时，必须保持其他所有自变量不变。

3.实施实验与收集数据

探究一：滑动摩擦力与压力大小的关系

*实验目的：探究当接触面粗糙程度等其他因素不变时，滑动摩擦力与压力大小的关系。

*变量控制：

*保持不变的量：接触面的粗糙程度（同一长木板表面）、木块与木板的接触面积（同一木块的同一面放置）、木块的运动速度（尽量匀速）。

*改变的量（自变量）：压力大小。通过在木块上添加不同数量的砝码来实现。

*实验步骤：

(1)将长木板平放在水平桌面上。

(2)用弹簧测力计水平拉着木块（不加砝码）在长木板上做匀速直线运动，读出弹簧测力计的示数F?，记录数据。此示数即为木块在当前压力下受到的滑动摩擦力f?。

(3)在木块上放置一个砝码，重复步骤(2)，读出弹簧测力计示数F?，即此时的滑动摩擦力f?。

(4)可再增加一个砝码，重复步骤(2)，读出F?，即f?。

(5)记录每次实验的压力情况（如木块重G，加一个砝码重G?，加两个砝码重G?+G?等，或简单记为“木块”、“木块+1砝码”、“木块+2砝码”）和对应的摩擦力大小。

探究二：滑动摩擦力与接触面粗糙程度的关系

*实验目的：探究当压力等其他因素不变时，滑动摩擦力与接触面粗糙程度的关系。

*变量控制：

*保持不变的量：压力大小（使用同一木块，不加或固定加一个砝码）、木块与接触面的接触面积、木块的运动速度。

*改变的量（自变量）：接触面的粗糙程度。通过更换不同粗糙程度的接触面实现，例如：长木板表面（较光滑）、铺有毛巾的木板表面（较粗糙）、铺有砂纸的木板表面（更粗糙）。

*实验步骤：

(1)将长木板平放在水平桌面上，木块上放置一个砝码（或不加，视探究一情况而定，保持压力恒定）。

(2)用弹簧测力计水平拉着木块在长木板表面做匀速直线运动，读出弹簧测力计示数F?，记录数据（对应接触面为木板）。

(3)在长木板上铺上毛巾，确保表面平整。重复步骤