摘 要：對(duì)一道高中物理單項(xiàng)選擇題的答案提出質(zhì)疑，通過對(duì)新課標(biāo)和多版本新教材的深入研究，并查詢相關(guān)數(shù)據(jù)庫和物理手冊(cè)等權(quán)威數(shù)據(jù)，經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算論證，確認(rèn)該題四個(gè)選項(xiàng)均存疑，進(jìn)而提出對(duì)命制經(jīng)典創(chuàng)新好題的思考。

關(guān)鍵詞：比結(jié)合能；數(shù)據(jù)；論證

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）7-0067-3

1 問題提出

原題（廣東省2024屆普通高中畢業(yè)班第二次調(diào)研物理考試單項(xiàng)選擇第1題）2023年8月24日，日本政府無視國內(nèi)外反對(duì)呼聲，單方面將福島核污染水排入大海，核污染水中有多種有害物質(zhì)，其中氚（H）的半衰期為12.43年，核反應(yīng)方程為H→He+e，下列說法正確的是（ ）

A.該反應(yīng)中產(chǎn)生的電子來源于H的外層電子

B.He的比結(jié)合能大于H的比結(jié)合能

C.受核污染的魚類經(jīng)過高溫烹煮能去除其放射性

D.H衰變時(shí)會(huì)釋放能量，衰變過程中的質(zhì)量虧損等于e的質(zhì)量

從命題的角度看，這是一道符合廣東省新高考改革的創(chuàng)新好題，在福島核污染水排放的情境下設(shè)置了多個(gè)問題，既考查了學(xué)生核物理知識(shí)和科學(xué)思維，同時(shí)還能夠讓學(xué)生在如何保護(hù)人類生存環(huán)境方面進(jìn)行情感及價(jià)值觀方面的思考。

在設(shè)計(jì)的四個(gè)答案中，A選項(xiàng)錯(cuò)誤比較明顯，因?yàn)楹朔磻?yīng)是在原子核內(nèi)部進(jìn)行的，產(chǎn)生的電子是由核內(nèi)的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時(shí)放出的電子，跟核外層電子無關(guān)；C選項(xiàng)錯(cuò)誤也比較明顯，因?yàn)槭芎宋廴镜聂~體內(nèi)有氚（H），但是氚（H）的半衰期是不受溫度等外界因素影響的，因此高溫烹煮不能去除其放射性；D選項(xiàng)錯(cuò)誤也比較明顯，因?yàn)殡埃℉）發(fā)生β衰變的質(zhì)量虧損等于反應(yīng)核H的質(zhì)量減去生成的核He與e的質(zhì)量之和，并且以β粒子的動(dòng)能和其他射線的能量放出。

試題給出的正確答案是B選項(xiàng)，但He的比結(jié)合能真的大于H的比結(jié)合能嗎？

2 問題分析

為了尋找正確答案，首先查閱《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)該內(nèi)容的要求：認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能，了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)，關(guān)注核技術(shù)對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響［1］。但課程標(biāo)準(zhǔn)的要求描述并不能夠直接解決問題，繼續(xù)翻閱和研究如人教版、粵教版、魯科版、滬科教版、教科版等國內(nèi)主流新教材在選擇性必修三對(duì)結(jié)合能的闡述及相關(guān)論證，由此發(fā)現(xiàn)這些新教材的闡述相似，首先是提出結(jié)合能的概念，接著介紹比結(jié)合能（或稱平均結(jié)合能）的概念，并且闡明了比結(jié)合能大小與原子核穩(wěn)定程度的關(guān)系，最后都給出了不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)A的變化曲線圖，但仔細(xì)研究也發(fā)現(xiàn)不同版本教材的介紹有細(xì)微差別，如粵教版和魯科版的比結(jié)合能曲線圖對(duì)He和H的比結(jié)合能位置有明確的標(biāo)注，如圖1為粵教版選擇性必修三的曲線圖［2］。

從圖1可以直接看出He的比結(jié)合能小于H的比結(jié)合能，也就說從圖1可以初步判斷B選項(xiàng)是錯(cuò)誤的。當(dāng)然，也不能夠草率下結(jié)論，如何論證圖1的標(biāo)注是正確無誤的，需要用數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)行論證。

通過核物理主要數(shù)據(jù)庫（http：//www.nuclear.csdb.cn/）查詢和北京大學(xué)出版社的物理手冊(cè)查詢，可以得到如表1 的數(shù)據(jù)。

表1的中子質(zhì)量1.674 928 6×10-27 kg是通過物理手冊(cè)SI單位制物理常數(shù)查詢得到，中子質(zhì)量1.008 664 898 753 25 u是通過核物理主要數(shù)據(jù)庫查詢得到。通過計(jì)算，1.674 928 6×10-27 kg相當(dāng)于1.008 664 891 099 896 u，與查詢得到的1.008 664 898 753 25 u數(shù)據(jù)的前9位數(shù)字高度吻合。

表1中的電子質(zhì)量9.109 389 7×10-31 kg通過計(jì)算相當(dāng)于0.000 548 579 895 867 u，H核的原子質(zhì)量1.007 825 064 984 88 u，可知質(zhì)子質(zhì)量是H核的原子質(zhì)量減去電子質(zhì)量，即質(zhì)子質(zhì)量為1.007 825 064 984 88 u-0.000 548 579 895 867 u=1.007 276 485 089 01 u。對(duì)比表1中的質(zhì)子質(zhì)量1.672 623 1×10-27 kg通過計(jì)算相當(dāng)于1.007 276 487 494 852 u，兩個(gè)數(shù)據(jù)的前9位數(shù)字也高度吻合。通過表中數(shù)據(jù)的兩次論證，完全可以認(rèn)為表1數(shù)據(jù)是權(quán)威可信的。

根據(jù)表1，重新處理需要使用的數(shù)據(jù)如下（以下數(shù)據(jù)四舍五入取數(shù)字的前8位）：

中子質(zhì)量：1.008 664 9 u

質(zhì)子質(zhì)量：1.007 276 5 u

H核質(zhì)量：3.015 500 7 u

He核質(zhì)量：3.014 932 1 u

H核的比結(jié)合能的計(jì)算：

H核的結(jié)合質(zhì)量虧損：

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

H核的結(jié)合能：

ΔE= 0.009 105 6×931.494 32 MeV=

8.481 814 7 MeV

H核的比結(jié)合能：ΔE/3=2.827 271 6 MeV

He核的比結(jié)合能的計(jì)算：

He核的結(jié)合質(zhì)量虧損：

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

He核的結(jié)合能：

ΔE= 0.008 285 8×931.494 32 MeV=

7.718 175 64 MeV

He核的比結(jié)合能：ΔE/3=2.572 725 2 MeV

計(jì)算可得H的比結(jié)合能為2.827 271 6 MeV，He的比結(jié)合能為2.572 725 2 MeV，即計(jì)算論證了He的比結(jié)合能小于H的比結(jié)合能。

綜合以上多個(gè)證據(jù)，論證了試題給出的B選項(xiàng)是錯(cuò)誤的，即該題四個(gè)選項(xiàng)全部錯(cuò)誤，該題沒有正確答案。

3 問題反思

廣東省2024屆普通高中畢業(yè)班第二次調(diào)研物理考試分析還是把B選項(xiàng)作為正確答案進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。本次調(diào)研考試的物理分析報(bào)告顯示，物理類考生共有63 233人參與數(shù)據(jù)分析，本題全體考生選A為26%，選B為41%，選C為1%，選D為32%，滿分為4分，平均分為1.65分。報(bào)告還對(duì)該題進(jìn)行了考生的分層分析，總分660分以上的考生該題平均分為4分，總分600分以上的考生該題平均分為3.44分，總分550分以上的考生該題平均分為3.12分，總分500分以上的考生該題平均分為2.59分，總分達(dá)特控線476分以上的考生該題平均分為2.42分，總分達(dá)本科線380分以上的考生該題平均分為1.95分。從數(shù)據(jù)上可以看出，總分越高的考生越容易把B選為正確答案。

為什么試題會(huì)出現(xiàn)B選項(xiàng)的錯(cuò)誤，可能是命題者和審題者大意導(dǎo)致，也可能是他們認(rèn)為核裂變和核聚變反應(yīng)能夠進(jìn)行是因?yàn)樯尚潞说谋冉Y(jié)合能增大，進(jìn)而錯(cuò)誤地推廣到包括β衰變的所有核反應(yīng)都是生成新核的比結(jié)合能會(huì)增大。但是，H→He+e的β衰變比較特殊，因?yàn)樵雍藘?nèi)有一個(gè)中子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子和電子，并要放出電子和能量，并且導(dǎo)致在比較初始核的比結(jié)合能和新核的比結(jié)合能時(shí)，初始核和生成新核的自然核子種類已經(jīng)發(fā)生了較大的改變，因此計(jì)算初始核的比結(jié)合能和新核的比結(jié)合能時(shí)，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厝フ撟C研究。

廣東省2024屆普通高中畢業(yè)班第二次調(diào)研物理考試出現(xiàn)第1道選擇題沒有答案的失誤告訴我們，命題創(chuàng)新不僅需要命題者有創(chuàng)新意識(shí)，有過硬的物理專業(yè)功底，而且還需要扎實(shí)的論證研究。審題者也需要有扎實(shí)的物理專業(yè)功底，認(rèn)真思考和研究，及時(shí)準(zhǔn)確地提出修改意見，特別對(duì)容易出錯(cuò)的創(chuàng)新題，每一個(gè)環(huán)節(jié)都不能夠掉以輕心，才能命制出經(jīng)得起推敲的經(jīng)典創(chuàng)新好題。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］. 北京：人民教育出版社，2020：34.

［2］熊建文.普通高中教科書物理選擇性必修第三冊(cè)［M］. 廣州：廣東教育出版社，2020：115.

［3］Horst Stocker.物理手冊(cè)［M］.吳錫真，李祝霞，陳師平，譯.北京：北京大學(xué)出版社，2004：1011.