控制变量法的应用

杨佳铭

“控制变量法”是初中物理中常用的探究问题的科学方法.由于影响物理研究对象的因素在许多情况下并不是单一的，而是多种因素相互交错、共同起作用的，所以要想精确地把握研究对象的各种特性，弄清事物变化的原因和规律，必须人为地制造一些条件，便于问题的研究.

例如，当一个物理量与几个因素有关时，我们一般是分别研究这个物理量与各个因素之间的关系，再进行综合分析得出结论.这样就必须在研究物理量与其中一个因素之间的关系时，将另外几个因素人为地控制起来，使它们保持不变，以便观察和研究该物理量与这个因素之间的关系，这就是“控制变量”的方法．在声学的探究过程中多次运用到了控制变量的思想.

例 在学习吉他演奏的过程中，小华发现琴弦发出声音的音调高低是受各种因素影响的，他决定对此进行研究.经过和同学们讨论，小华提出了以下猜想．

猜想１：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的横截面积有关．

猜想２：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的长短有关．

猜想３：琴弦发出声音的音调高低，可能与琴弦的材料有关．

为了验证上述猜想是否正确，他们找到了下表所列９种规格的琴弦．因为音调高低取决于声源振动的频率，他们又借来一个能够测量振动频率的仪器进行实验.

（１）为了验证猜想１，应选用编号为___________、___________、___________的琴弦进行实验.

（２）为了验证猜想２，应选用编号为___________、___________、___________的琴弦进行实验.

（３）表中有的材料规格还没填全，为了验证猜想３，必须知道该项内容，请在表中填上所缺数据.

（４）随着实验的进行，小华又觉得琴弦音调的高低，可能还与琴弦的松紧程度有关，为了验证这一猜想，必须进行的操作是：___________.

分析 本题是考查弦乐器音调高低与哪些因素有关的探究题，利用了物理实验探究的重要方法之一——控制变量法.

（１）探究琴弦发声的音调与弦的横截面积的关系时，应控制琴弦的长度、琴弦的材料相同，选择横截面积不同的琴弦相比较，即选择长度、材料相同而横截面积不同的三根琴弦进行实验，故只能选用表中编号为Ａ、Ｂ、Ｃ的琴弦进行实验.

（２）探究琴弦发声的音调与弦的长短的关系，应控制琴弦的材料、琴弦的横截面积相同，选择长度不同的琴弦相比较，因此只能选用表中编号为Ａ、Ｄ、Ｆ的琴弦进行实验.

（３）探究琴弦发声的音调与弦的材料的关系时，应控制琴弦的长度、粗细相同，选择不同材料的琴弦相比较．从表中找到铜、钢、尼龙三种材料，在已知长度和横截面积的铜材料中，没有与钢、尼龙的长度、粗细都相同的琴弦，只有琴弦Ｅ的规格没有填全．因此若想验证猜想３，编号为Ｅ的琴弦长度应为８０ ｃｍ，横截面积为１．０２ ｃｍ２.

（４）想探究琴弦音调的高低与琴弦的松紧程度的关系时，可选取一根琴弦，先不拉紧琴弦，拨动琴弦，然后拉紧琴弦，用相同的力拨动琴弦，用测量振动频率的仪器分别测出相应的振动频率，进行分析比较.

练习

学习声音之后，小李等同学提出这样一个问题：二胡、琵琶等弦乐器为什么能演奏出不同音调？

在认真观察弦乐器之后，他们提出了这样几种猜想：①弦乐器的音调跟弦的长短有关；②弦乐器的音调跟弦的松紧有关；③弦乐器的音调跟弦的粗细有关．

为了研究猜想①是否正确，小李等同学进行了如下实验：如图１所示，将一根胡琴弦的一端绕结在桌子的腿上，另一端绕过桌边的小滑轮，挂上几个钩码，使它在桌面上拉紧，并用Ａ、Ｂ两个三角形柱状小木块将弦支起，用一把塑料尺弹拨弦的中部，就可以听见弦发出的声音.在其他条件不变的情况下，改变Ａ、Ｂ间的距离进行多次实验，同学们发现Ａ、Ｂ间的距离越长，音调越低.

（１）小李通过上述实验得出的结论是：同一根弦松紧相同时，弦越长音调越___________.

（２）在实验过程中，小李要在其他条件不变的前提下，改变Ａ、Ｂ之间的距离，所运用的一种研究方法是___________

（３）图２中，小提琴演员演奏时，手指要在弦上不停地移动，这样做的作用是什么？

（４）请你将小李他们的实验改进成能探究猜想③的实验.（写出实验的方法和注意点）.

（５）探究过程通常采用下列一些步骤：①分析归纳；②实验研究；③提出问题（或猜想）；④得出结论等．你认为小李要完成本探究的全过程，所采取步骤的合理顺序应该是：___________.（只填写数字代号）

参考答案：（１）低 （２）控制变量法 （３）改变弦的长度从而改变音调 （４）保持其他条件相同，使用粗细不同的弦 （５）③②①④

责任编辑 程 哲