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初中物理核心素养提升专辑
专题04 科学探究与探究方法
一、科学探究的因素
科学探究是指实验者在不知实验结果的前提下，通过自己实验、探索、分析、研究得出结论，从而
形成科学概念的一种认知活动。物理探究性实验的目标在于发展学生的能力，包括发现问题的能力、制
定计划的能力和解决问题的能力；培养学生的问题意识和创新精神等。
科学探究的因素：
①提出问题；②猜想与假设；③设计实验；④进行实验与收集证据；⑤分析与论证；⑥评估；⑦交
流与合作。
二、物理常用研究方法
科学方法是指在研究物理问题时常采用的一种方法。物理概念和规律是物理现象或过程的本质属性
或规律的反映，它本身是无方法可言的。但当引入这些概念并加以定义时，或研究概念之间的定性或定
量关系形成规律时，就需要借助一定的科学方法了。
例如，要建立“力”的概念，就要通过抽象、概括，把“推、拉、提、压”等现象的本质归结为物
体之间的相互作用，从而引入“力”的概念，此时“概括归纳”就是一种科学方法。
在初中学习阶段，学过的常用物理方法有控制变量法、理想模型法、转换法、等效替代法、类比法、
实验推理法、比值定义法、图像法、放大法、归纳法等。
1.控制变量法
控制变量法是指为了研究物理量同影响它的多个因素中的一个因素的关系，可将除了这个因素以外
的其它因素人为地控制起来，使其保持不变，再比较、研究该物理量与该因素之间的关系得出结论，然
后再综合起来得出规律的方法。
例如在“探究电流和电压的关系”实验中，我们可以先将电阻人为的控制（即不变），改变其两端
电压的大小，再测出各个电压值所对应的电流的大小，从而可以得出：电阻一定时（同一导体），通过
的电流和电压成正比。
2.建立物理模型法
把复杂的问题简单化，摒弃次要因素，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想化的
物理模型，这是一种重要的物理思想。有时为了更加形象地描述所要研究的物理现象、物理问题，还需
要引入一些模型。
①光线、磁感线都是引入的模型，它们直观、形象地描述了物理情境与事实。通过磁感线可以研究磁场的分布，通过光线可以研究光的传播路径和方向。
②匀速直线运动就是一种理想化的模型。在生活实际中，严格的匀速直线运动并不存在，但有很多
运动情形都近似于匀速直线运动模型，按匀速直线运动处理，大大降低了难度。
③在研究连通器的原理时，理想液片是一种理想模型。
④研究原子结构时，将肉眼看不到的原子结构设想为原子核式结构模型（行星模型）。
⑤电路图是实际电路的模型，可以简单明了地反映实际电路的连接情况。
3.转换法
在物理实验中，很多物理量由于其属性关系无法用仪器直接测量，或不易测量，或难以准确测量，
因此常将这些物理量转换为其他物理量进行测量，然后再反过来求出待测物理量，这种方法称为转换法。
马德堡半球实验可证明大气压的存在；影子的形成可以证明光沿直线传播；月食现象可证明月亮不
是光源；奥斯特实验可证明电流周围存在着磁场；指南针指南北可证明地磁场的存在；铅块实验可证明
分子间存在着引力；运动的物体能对外做功可证明它具有能；可以通过电磁铁吸引铁钉的多少来显示电
磁铁的磁性强弱；可以通过敲动音叉所引起的乒乓球的弹开来说明一切发声体都在振动等。
4.等效替代法
等效替代法是在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、陌生的、复杂的物理问题
和物理过程用等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程代替来研究和处理的方法。
等效替代法既是科学家研究问题的方法，也是学生在学习物理中常用的方法。
在探究平面镜成像规律的实验中，有两处用了等效替代法。第一处用玻璃板替代了平面镜。为什么
这样替代呢？因为用平面镜不便于确定虚像的位置，我们用玻璃板替代平面镜是为了获得视觉上的等效。
因两者在成像特征上有共同之处——都能成像，不同之处是玻璃板是透明的，能通过它观察到玻璃板后
面的蜡烛，便于研究像的特点，揭示规律。第二处用一根没有点燃的蜡烛放在成像点，来替代所成的像。
5.类比法
所谓类比法，就是把在某些方面相同或相似的对象或事物进行对比的一种思维方法。类比可以帮助
我们从较复杂的事物或想象中，提取出有用的信息或答案，合理类比，还可以降低知识的认知难度，从
而对知识透彻理解。通过类比，可以把抽象的、无知的、陌生的事物用直观、熟悉的事物来说明，并且
找出类似的规律。
【应用实验举例】
①研究声波、电磁波时，将声波、电磁波与水波进行类比，理解其产生和传播。
②研究电流时，用水流来类比电流。
③研究电压时，用水压来类比电压。
④研究电路时，用水路来类比电路：用抽水机类比电源，用水轮机类比用电器，用阀门类比开关，
用水管类比导线等。6.科学推理法
科学推理法，即理想实验法（实验推理法）。物理学中，常常有难以达到条件的时候，这时，我们
常常需要借助将实验想象为理想情况下来达到我们的目的，在实验基础上经过概括、抽象、推理得出规
律，这种研究问题的方法就叫科学推理法。斜面实验、推导出声音不能在真空中传播、推导出牛顿第一
定律、推导出电荷的种类等。
7.比值定义法
就是在定义一个物理量的时候采取比值的形式定义。就是用两个基本的物理量的“比”来定义一个
新的物理量的方法。用比值法定义的物理概念在物理学中占有相当大的比例，比如速度、密度、压强、
功率、比热容等等。
8.图像法
在物理学中，常采用数学中的函数图像，将物理量之间的关系表示出来。利用图象这种特殊且形象
的数学语言工具，来表达各种现象的过程和规律，这种方法称为图象法。
例如对水加热，水的温度与时间的关系；同一导体中的电流与电压的关系等等。
9. 放大法
物理中放大法是把不易观察的微小量转换成其他量加以放大，便于观察。物理中采用放大法的实验
主要有：
①桌面的微小形变，可以用平面镜的多次反射来放大；
②玻璃瓶子的微小形变，可用插入细玻璃管，观察管内的水柱高度变化来放大；
③振动的音叉弹起，在音叉旁边放置小球，作用是把微小的振动放大；
④在测量微小量的时候，我们常常将微小的量积累成一个比较大的量。比如在测量一张纸的厚度的
时候，我们先测量100张纸的厚度在将结果除以100，这样使测量的结果更接近真实的值就是采取的累积
放大法。
三、精选练习题
1. 类比法、控制变量法、推理法、转换法、建模法等是物理探究实验中常用的方法。以下实例和其
对应的科学研究方法不正确的是（ ）
选项 科学实验 研究方法
A 研究牛顿第一定律 实验加推理法
B 把电流比作水流，电压比作水压 类比法
C 研究滑动摩擦力大小与压力大小有关 控制变量法
D 用磁感线描述磁场的强弱与方向 转换法A. A B. B C. C D. D
2. 下列关于科学研究方法的叙述：①研究磁场时引入“磁感线”，采用了模型法；②探究导体电阻
大小与导体长度的关系时，控制其它量相同，采用了类比法；③探究动能大小的影响因素时，通过木块
被撞后移动的距离来比较动能大小，采用了转换法；④在经验事实的基础上，经过科学推理得出牛顿第
一定律，采用了放大法，其中正确的是（ ）
A．①③ B．②③ C．①② D．②④
3．如图为探究“焦耳定律”的实验装置。两个透明容器中密封着等量的空气，U型管中液面高度的
变化反映密闭空气温度的变化。将容器中的电阻丝 R 、R 串联在电路中，且R ＜R 。下列说法正确的是
1 2 1 2
（ ）
A．该实验装置用于探究“电压和通电时间一定时，电热与电阻的关系”
B．闭合开关后，通过R 的电流大于R 的电流
1 2
C．闭合开关后，甲管中液面上升比乙慢
D．闭合开关后，要使电流增大，应将滑动变阻器滑片P向左移动
4．某同学在复习过程中，对质量、速度、密度、功率、比热容、电阻和电功率等物理量按一定的特
征进行分类，并得出了右表，他使用的科学方法是（ ）
物理量 分类理由
速度、功率、电功率 都与快慢有关
质量、电阻 都与物体本身有关
密度、比热容 都与物质本身有关
A．类比法 B．控制变量法 C．等效替代法 D．理想模型法
5. 在“探究动能的大小与哪些因素有关”的实验中，用木块被小车撞击后移动的距离来反映小车动
能的大小，下列研究问题的方法中与之相同的是（ ）
A. 保持电阻不变，探究通过导体的电流与电压的关系
B. 通过小方桌陷入沙中的深度来研究压力的作用效果
C. 通过水流来初步认识电流D. 用磁感线来描述磁体的磁场
6．物理学中有很多重要的科学研究方法，下列有关说法不正确的是（ ）
A．探究“降落伞在空中滞留时间跟哪些因素有关”时，应用了控制变量法
B．声波的形成与水波的形成类似，可以借助水波的形成理解声波的形成，应用了类比法
C．物理学中用一根带箭头的直线，即光线形象直观的表示光的传播方向，应用了建模法
D．探究“物体是运动还是静止”时，必须选择一个参照物，应用了等效替代法
7. 研究力的作用时，两个小孩共同提起一桶水，与一个成年人提起同一桶水的效果相同。下列研究
问题的方法与此相同的是（ ）
A．研究磁场性质时，用磁感线来描述磁场的分布
B．研究物体对光的反射时，将其分为镜面反射和漫反射
C．研究固、液、气三态物质的宏观特性时，找出它们的异同点
D．研究并联电阻特点时，用两个30欧的电阻并联替代一个15欧的电阻
8．在初中物理的学习中，我们常会用到一些科学研究方法，如：“控制变量法”、“等效替代法”、
“类比法”、“模型法”等。在下面几个实例中应用的研究方法正确的是（ ）
①研究磁场时，引入“磁感线”运用了模型法
②用速度公式来引入功率公式运用了类比法
③探究同一直线上两个力的合力与分力的关系运用了控制变量法
④保持受力面积不变，探究压力的作用效果与压力的关系运用了等效替代法
A．①② B．②④ C．①②③ D．③④
9．下列对于科学研究的方法，说法错误的是（ ）
A．在研究磁现象时，引入“磁感线”的概念——类比法
B．牛顿第一运动定律——实验+推理
C．在研究平面镜成像特点时，用相同的蜡烛B代替蜡烛A——等效替代法
D．在研究磁场时，根据小磁针的指向判断磁场方向——转换法
10．对于科学研究方法下列说法不正确的是（ ）
A．用抽气机将玻璃罩内的空气逐渐抽出，听到铃声越来越小，推理：若把真空罩内的空气全部抽
出，将听不到声音，这是利用逐渐逼近法
B．研究声音的传播时跟水波的传播进行类比，这是利用类比法
C．比较物体运动快慢的方法：一种是在相同的时间内比较物体通过的路程；一种是通过相同的路
程比较所花的时间。这是利用控制变量法
D．将耳朵紧贴在桌面上，用手轻轻敲击桌面会听到敲击声，证明：固体能够传声，这是利用逐渐
逼近法11．人类在探索自然规律的过程中，总结出了许多科学研究方法，如：“控制变量法”、“等效替
代法”、“类比法”、“转换法”、“理想模型法”等。下面是初中物理中的几个研究实例，其中采用
了相同研究方法的是
①研究电流时，把电流类比作水流；
②研究光的传播时，引入“光线”；
③研究动能与速度的关系时，让物体的质量保持不变；
④研究磁场时，引入“磁感线”；
⑤比较不同物质的吸热能力时，给水和沙子加热相同的时间。
A．①和⑤ B．②和③ C．②和④ D．③和④
12．物理学习中不但要学会物理知识，还要学会科学研究方法．例如：研究电流时与水流进行对比，
这属于运用了 法；研究串联、并联电路时，引入“总电阻”，这属于运用了 法；研究导体
的电流与电压关系时，需要运用 法．（以上三格均选填“理想实验”、“类比”、“建立模型”、
“等效替代”、“控制变量”）
13. 电流、电压和电阻，是电路学习中三个重要的物理量，如图所示情境粗略却形象地反映了这三者
之间的关系。
①图中丙与甲的关系反映了 的关系，丙与乙的关系反映了 的关系。
②图中信息还反映出导体的电阻与导体的 有关，它们的关系可归纳为：相同条
件下， 。
14．导体接通电源后，导体中会形成电流。因为电源能提供导体中的自由电荷定向移动所需的动力，
这就像水管中的水需要水压才能流动一样，导体中的自由电荷需要电压才能做定向移动。
①水管中水流的形成是由于水管两端存在水压差，如图4（a）所示。当阀门打开时，容器甲、乙和
水管AB构成了一个 ，甲、乙中水面高度不同，从而使水轮机两侧的 不同，由于压力差，水
管中就形成从 的水流（选填“A→B”或“B→A”）。
②如图4（b）所示。在电路中导体接通电源后，小灯两端形成________，在电压作用下导体中的自
由电荷定向移动，这些定向移动的自由电荷便在导体中形成________，小灯发光。甲 乙
水渠
电池
小灯
电键
C D
水轮机 闸门
A B
（a） 图4 （b）
15．在物理实验中，经常要做多次实验才能得到结果，例如：(1)“研究凸透镜成像”实验时要多次
改变物距找像；(2)“测量液体密度”实验要多次测量液体质量和体积；(3)“研究杠杆平衡条件”实验
要多次改变钩码个数或移动钩码的位置；(4)“伏安法测电阻”时要多次移动滑动变阻器滑片，多次测量
电压和电流。其中，属于从不同情况下得到普遍规律的多次实验是__________；属于提高多次测量取平
均值减小误差的多次实验是________（填序号）。
16．如图7所示是理论推导液体内部压强公式的示意图。
A A A
S S
（a） （b） （c）
图7
①如图7（a）所示，研究A点受到的液体压强大小，在A点所处位置沿水平方向假想出一个受力面
S，如图7（b）所示。可用受力面S受到的液体压强大小代替A点受到的液体压强大小，其依据是 。
②然后在受力面 S 上方假想出一段液柱，如图 7（c）所示，即可用压强定义式 p=F/S 推导出
p=ρgh。这种运用假想液柱研究问题的思想方法被称为 。（选填“控制变量法”、“等效替代
法”或“建立理想模型法”）
③小明猜想液体压强公式也可以用来计算大气压强。他主要是依据气体与液体具有相似性：
A．都具有流动性；B． 。
④小明在用公式p=ρgh计算大气压强的过程中也发现了困难，其困难在于 。（请至少写出两
条）
17. “曹冲称象”的故事家喻户晓，曹冲设计的方法中，先后将大象和石块装载到同一艘船上，通过称
量石块的质量得到大象的质量。这种方法在科学研究中称为“等效替代法”。
① 故事中，装载在船上的石块质量能替代大象质量的条件是：______
② 图5（a）（b）为探究并联电路中电阻规律的实验情景，若电阻R能等效替代电阻R 和R，则电
1 2
流表A 的示数及相关物理量应满足的条件是________。
3S S
18．小明在复习物理时，对六个知识点进行分类整理，如表一所示。请你尝试从其他角度对这六个
A
1
R 1 A
知识点进行分类，并将分类结果和理由A填写在表二中。 （按实际分类3 的情况填写，不一定填满表格）。
2
R R
2
（a） （b）
图5
表一 表二
序号 知识点 分类理由
序号 知识点 分类理由
速度、机械功
1 力学 1
率、密度
2
2 磁感线 磁学
3
3 光线 光学
4
4 比热容 热学
19．在学习了电流、电压的相关知识后，小明同学利用导体A、电键、导线、电流表和若干节相同的
干电池等实验器材，进行了如图7（a）和（b）所示的“用电流表测电流”的实验。
通过观察比较图7（a）和（b）中的实验装置及电流表的指针偏转情况等相关信息，小明归纳得出了
初步结论：_____________________________。
A A导体 A A导体
②为了进一步定量研究导体中的电流与导体两端电压的关系，并归纳得出合理完整的实验结论，他们
（a） 图7 （b）
还需要的实验器材是________，需要继续进行的实验操作是________。
20. 某同学利用图7中演示板上的5根金属丝A、B、C、D、E进行四次实验，通过分析初步得出导体
电阻大小与导体材料、粗细和长度有关的结论。已知板上各金属丝横截面积都相同，A、B、C、D长度相
同，E的长度是它们的一半，实验过程如图7所示。(a) (b) 图 7 (c) (d)
① 本实验通过观察_________来判断演示板上金属丝的电阻大小，这是一种_________方法。
② 演示板上E和__________材料肯定相同（填字母）。
③ 演示板上的金属丝中，________（填字母）所对应的材料比较适合用作家用电线。
21．在“探究电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验中，如图甲和乙所示，两个透明
容器中密封着等质量的空气，两容器中的电阻丝串联起来，连接到电源两端，通电一段时间后，比较两
个U形管中液面高度差的变化。
（1）图甲是探究电流通过导体产生的热量与 的关系，需要控制不变的量是 。
（2）图乙是探究电流通过导体产生的热量与 的关系，需要控制不变的量是 。
（3）在该实验中，由于电流产生的热量不易直接测量，因此在实验中是通过观察U形管中液面高度
的变化来比较各容器中电热丝产生热量的多少的，这里采用的物理研究方法是__________。高度差的形
成是由于U形管中 (选填“气体”或“液体”)热胀冷缩导致的。
（4）通过图甲可以得到的结论是：__________。
（5）通过图乙可以得到的结论是：__________。
22．为了探究柱形物体对支持面产生的压力形变效果与哪些因素有关，某小组同学猜想：可能与柱
形的重力、形状、底面积大小有关。他们用底面积相同、重力不同的长方体、正方体和圆柱体放在同一
水平细沙面上进行实验（如图17（a）所示），接着他们再把若干个相同的长方体放在同一水平细沙面上
进行实验（如图17（b）所示），实验时他们测量了沙面下陷程度，并将有关数据记录在表一、表二中。表一
实 验 压 力
（a） 图17 （b） 受力面积 下陷程度
序 号 形 状 （牛
（厘米2） （毫米）
）
1 长方体 2 10 2
2 正方体 3 10 3
3 圆柱体 6 10 5
表一
实 验 压
表
力
一
受力面积 下陷程度
序 号 形 状 （牛
实 验 形 状 压 力 受力面积 下陷程度
（厘米2） （毫米）
）
序 号 （牛 （厘米2） （毫米）
1 长方体 ）2 10 2
表一 表二 2 1 正 长 方 方 体 体 3 2 1 1 0 0 3 2
实 验 形 状 压 力 受力面积 下陷程度 实 验 形 状 压3 2 力 圆 正 柱 方 受体 体 力面积6 3 下陷程1 1 0 0 度 5 3
序 号 （牛） （厘米2） （毫米）
序 号 （牛） （厘米2） （毫米）
3 圆柱体 6 10 5
1 长方体 2 10 2
4 长方体 2 5 4
2 正方体 3 10 3
5 长方体 4 10 4
3 圆柱体 6 10 5
6 长方体 6 15 4
（ / 1）分析 / 比较实验 / 序号1和 / 2和3的数据 / 及观察的现象7 （选填“能”或“不能”）得到初/ 步结
论：受力面积相同，柱形物体对支持面压力越大，压力产生的形变效果越显著。理由： 。
（2）进一步分析比较实验序号4和5和6数据及观察的现象可得到结论： ，柱形物体对支持
面的压力形变效果相同。
（3）小明同学发现以上6次实验还不能探究柱形物体对支持面压力的形变效果与形状有无关系，他
应该选择其他物体再次进行实验，请把该物体符合要求的各项数据填写在序号7中。
（4）从上列表格中数据及观察到的现象，小组同学总结归纳得出：若要比较柱形物体对支持面压力
产生的形变效果显著程度，可以观察比较 以及计算 所受的压力大小进行判断。
23．如图19（a）所示仪器的名称是_____________，它是用来______________的仪器。若研究液体
内部压强与液体密度的关系，则：
（1）对图（b）中两容器内装入液体的要求是____________________________。（2）实验中，金属盒在两个容器中，所处的位置应满足的要求是_______________。
（a） 图19 （b）
（3）下表是某同学利用甲、乙两种液体（已知ρ > ρ ），经过实验后记录的部分数据，经分析可
甲 乙
得到初步的结论是：
a．分析实验次数l、2和3（或5和6）可知___________________________________。
b．分析实验次数1与4可知，在同种液体中，液体内部的压强___________________。
c．分析比较实验次数1、5或2、6可知_______________________________________。
