创新题需要扎实的论证研究

摘 要：对一道高中物理单项选择题的答案提出质疑，通过对新课标和多版本新教材的深入研究，并查询相关数据库和物理手册等权威数据，经过严密计算论证，确认该题四个选项均存疑，进而提出对命制经典创新好题的思考。

关键词：比结合能；数据；论证

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）7-0067-3

1 问题提出

原题（广东省2024届普通高中毕业班第二次调研物理考试单项选择第1题）2023年8月24日，日本政府无视国内外反对呼声，单方面将福岛核污染水排入大海，核污染水中有多种有害物质，其中氚（H）的半衰期为12.43年，核反应方程为H→He+e，下列说法正确的是（ ）

A.该反应中产生的电子来源于H的外层电子

B.He的比结合能大于H的比结合能

C.受核污染的鱼类经过高温烹煮能去除其放射性

D.H衰变时会释放能量，衰变过程中的质量亏损等于e的质量

从命题的角度看，这是一道符合广东省新高考改革的创新好题，在福岛核污染水排放的情境下设置了多个问题，既考查了学生核物理知识和科学思维，同时还能够让学生在如何保护人类生存环境方面进行情感及价值观方面的思考。

在设计的四个答案中，A选项错误比较明显，因为核反应是在原子核内部进行的，产生的电子是由核内的一个中子转变为质子时放出的电子，跟核外层电子无关；C选项错误也比较明显，因为受核污染的鱼体内有氚（H），但是氚（H）的半衰期是不受温度等外界因素影响的，因此高温烹煮不能去除其放射性；D选项错误也比较明显，因为氚（H）发生β衰变的质量亏损等于反应核H的质量减去生成的核He与e的质量之和，并且以β粒子的动能和其他射线的能量放出。

试题给出的正确答案是B选项，但He的比结合能真的大于H的比结合能吗？

2 问题分析

为了寻找正确答案，首先查阅《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对该内容的要求：认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应，关注核技术对人类生活和社会发展的影响［1］。但课程标准的要求描述并不能够直接解决问题，继续翻阅和研究如人教版、粤教版、鲁科版、沪科教版、教科版等国内主流新教材在选择性必修三对结合能的阐述及相关论证，由此发现这些新教材的阐述相似，首先是提出结合能的概念，接着介绍比结合能（或称平均结合能）的概念，并且阐明了比结合能大小与原子核稳定程度的关系，最后都给出了不同原子核的比结合能随质量数A的变化曲线图，但仔细研究也发现不同版本教材的介绍有细微差别，如粤教版和鲁科版的比结合能曲线图对He和H的比结合能位置有明确的标注，如图1为粤教版选择性必修三的曲线图［2］。

从图1可以直接看出He的比结合能小于H的比结合能，也就说从图1可以初步判断B选项是错误的。当然，也不能够草率下结论，如何论证图1的标注是正确无误的，需要用数据计算进行论证。

通过核物理主要数据库（http：//www.nuclear.csdb.cn/）查询和北京大学出版社的物理手册查询，可以得到如表1 的数据。

表1的中子质量1.674 928 6×10-27 kg是通过物理手册SI单位制物理常数查询得到，中子质量1.008 664 898 753 25 u是通过核物理主要数据库查询得到。通过计算，1.674 928 6×10-27 kg相当于1.008 664 891 099 896 u，与查询得到的1.008 664 898 753 25 u数据的前9位数字高度吻合。

表1中的电子质量9.109 389 7×10-31 kg通过计算相当于0.000 548 579 895 867 u，H核的原子质量1.007 825 064 984 88 u，可知质子质量是H核的原子质量减去电子质量，即质子质量为1.007 825 064 984 88 u-0.000 548 579 895 867 u=1.007 276 485 089 01 u。对比表1中的质子质量1.672 623 1×10-27 kg通过计算相当于1.007 276 487 494 852 u，两个数据的前9位数字也高度吻合。通过表中数据的两次论证，完全可以认为表1数据是权威可信的。

根据表1，重新处理需要使用的数据如下（以下数据四舍五入取数字的前8位）：

中子质量：1.008 664 9 u

质子质量：1.007 276 5 u

H核质量：3.015 500 7 u

He核质量：3.014 932 1 u

H核的比结合能的计算：

H核的结合质量亏损：

Δm=（2×1.008 664 9 u +1.007 276 5 u）-3.015 500 7 u=0.009 105 6 u

H核的结合能：

ΔE= 0.009 105 6×931.494 32 MeV=

8.481 814 7 MeV

H核的比结合能：ΔE/3=2.827 271 6 MeV

He核的比结合能的计算：

He核的结合质量亏损：

Δm=（1.008 664 9 u +2×1.007 276 5 u）-3.014 932 1 u =0.008 285 8 u

He核的结合能：

ΔE= 0.008 285 8×931.494 32 MeV=

7.718 175 64 MeV

He核的比结合能：ΔE/3=2.572 725 2 MeV

计算可得H的比结合能为2.827 271 6 MeV，He的比结合能为2.572 725 2 MeV，即计算论证了He的比结合能小于H的比结合能。

综合以上多个证据，论证了试题给出的B选项是错误的，即该题四个选项全部错误，该题没有正确答案。

3 问题反思

广东省2024届普通高中毕业班第二次调研物理考试分析还是把B选项作为正确答案进行分析和统计。本次调研考试的物理分析报告显示，物理类考生共有63 233人参与数据分析，本题全体考生选A为26%，选B为41%，选C为1%，选D为32%，满分为4分，平均分为1.65分。报告还对该题进行了考生的分层分析，总分660分以上的考生该题平均分为4分，总分600分以上的考生该题平均分为3.44分，总分550分以上的考生该题平均分为3.12分，总分500分以上的考生该题平均分为2.59分，总分达特控线476分以上的考生该题平均分为2.42分，总分达本科线380分以上的考生该题平均分为1.95分。从数据上可以看出，总分越高的考生越容易把B选为正确答案。

为什么试题会出现B选项的错误，可能是命题者和审题者大意导致，也可能是他们认为核裂变和核聚变反应能够进行是因为生成新核的比结合能增大，进而错误地推广到包括β衰变的所有核反应都是生成新核的比结合能会增大。但是，H→He+e的β衰变比较特殊，因为原子核内有一个中子会转变为质子和电子，并要放出电子和能量，并且导致在比较初始核的比结合能和新核的比结合能时，初始核和生成新核的自然核子种类已经发生了较大的改变，因此计算初始核的比结合能和新核的比结合能时，需要严谨地去论证研究。

广东省2024届普通高中毕业班第二次调研物理考试出现第1道选择题没有答案的失误告诉我们，命题创新不仅需要命题者有创新意识，有过硬的物理专业功底，而且还需要扎实的论证研究。审题者也需要有扎实的物理专业功底，认真思考和研究，及时准确地提出修改意见，特别对容易出错的创新题，每一个环节都不能够掉以轻心，才能命制出经得起推敲的经典创新好题。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京：人民教育出版社，2020：34.

［2］熊建文.普通高中教科书物理选择性必修第三册［M］. 广州：广东教育出版社，2020：115.

［3］Horst Stocker.物理手册［M］.吴锡真，李祝霞，陈师平，译.北京：北京大学出版社，2004：1011.