控制变量法在物理中的应用

控制变量法在物理中的应用

    根据研究目的、运用一定手段（实验仪器、设备等）主动干预或控制自然事物、自然现象发展的过程，在特定的观察条件下探索客观规律的一种研究方法。

　　自然界发生的各种现象往往是错综复杂的，并且被研究对象往往不是孤立的，总是处于与其他事物和现象的相互联系之中，因此影响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。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，单靠自然条件下整体观察研究对象是远远不够的，还必须对研究对象施加人为的影响，造成特定的便于观察的条件，这就是控制变量的方法。

　　例如在研究气体的温度、体积、压强这3个状态变量之间的关系时，必须设法把决定气体状态的一个量或两个量用人为的方法控制起来，使它保持不变，然后来比较、研究其他两个变量之间的关系。在进行观察时，首先把研究对象限定为一定质量的气体，然后研究在温度恒定的条件下，它的体积跟压强的关系，得出了玻意耳定律。如果使一定质量气体的体积（或压强）保持不变，研究它的压强跟温度的关系（或体积跟温度的关系），便得出了查理定律了（或盖·吕萨克定律）。这三个定律都是用控制变量的方法得出的描述一定质量的气体的状态量之间的关系的实验定律，为建立理想气体模型、推导理想气体状态方程提供了可靠的实验依据。

　　在研究物体的加速度跟所受的外力和物体质量的关系时，也采用了控制变量的方法。如先研究物体质量不变时，在大小不同的外力作用下，物体的加速度跟外力的关系；再研究在相同大小的外力作用下，物体的加速度跟质量的关系。这就是著名的牛顿第二定律。

自然界发生的各种现象，往往是错综复杂的。决定某一个现象的产生和变化的因素常常也很多。为了弄清事物变化的原因和规律，必须设法把其中的一个或几个因素用人为的方法控制起来，使它保持不变，然后来比较、研究其他两个变量之间的关系，这是一种研究问题的科学方法。

例如物体吸收热量温度会升高，温度升高多少是由多个因素决定的，跟吸收的热量、物体的质量以及组成物体的物质性质有关。在研究时，可以先使一些因素保持不变，如在物质相同、质量相同的情况下，观察物体温度升高跟所吸收热量的关系；接着再研究同种物质，不同质量的物体吸收相等热量时，温度升高跟质量的关系等等，从而得出物体温度升高跟所吸收的热量、物体的质量和组成物体的物质性质的关系。控制变量的科学方法在物理学的研究中是经常使用的。

这个实验是按以下步骤进行的：

先把容器A浸没在冰水混和物中，这时容器A中的空气温度为0℃，调节压强计右臂的位置，使两臂内水银面位于同一高度，这时容器A中的空气压强就等于大气压强，记下压强计左臂内水银面的位置B，这就是0℃时容器A内空气体积V₀的一个标记[图2－8(a)]。

然后将烧杯中的冰水混和物倒去，换成热水，经搅拌器搅拌后，读取热水温度，即为容器A中空气的温度。容器A中的空气受热后压强增大，体积也变大，这时压强计两臂内的水银面的高度差并不表示气体体积不变时的压强增加量，必须提起压强计的可动臂(右臂)，使左臂内水银面回到位置B，增大容器A内空气的压强，以保持原来的空气体积V₀，这时，压强计两臂内的水银面的高度差将变大，读出这一高度差h，如图2－8(b)所示，就可根据p=p₀+ρgh，算出这一温度下容器A中空气的压强。

实验时每一次改变热水温度后，都必须重新调节压强计可动臂的高度，使容器A中的空气体积保持不变，并应记录每一次改变温度后，容器中空气的温度值和相应的压强值。

查理用各种气体进行实验，结果表明，一定质量的各种气体在体积不变时，温度升高(或降低)1℃，压强的增加量(或减小量)等于

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