高届高级版高中物理创新方案一轮复习课件学案教师用书第十二章近代物理初步.docx
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高届高级版高中物理创新方案一轮复习课件学案教师用书第十二章近代物理初步
第十二章近代物理初步
考纲要求
考情分析
光电效应
Ⅰ
放射性同位素
Ⅰ
1.命题规律
高考对该部分内容多为单独考查,有时与电磁学或动量知识进行简单交汇命题。
题型一般为选择题,难度中等。
2.考查热点
该部分内容知识点较多,考查热点有光电效应、原子的跃迁、原子核的衰变、核反应及核能的计算等。
原子物理属于前沿科学知识,复习时应侧重对基本概念和规律的理解和应用。
爱因斯坦光电效应方程
Ⅰ
核力、核反应方程
Ⅰ
氢原子光谱
Ⅰ
结合能、质量亏损
Ⅰ
氢原子的能级结构、能级公式
Ⅰ
裂变反应和聚变反应、裂变反应堆
Ⅰ
原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期
Ⅰ
射线的危害与防护
Ⅰ
第72课时 波粒二象性(双基落实课)
点点通
(一) 对光电效应的理解
1.光电效应现象
在光的照射下,金属中的电子从表面逸出的现象。
发射出来的电子叫光电子。
2.光电效应的产生条件
入射光的频率大于金属的极限频率。
3.光电效应的三大规律
光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大,与入射光强度无关
电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能,对于确定的金属,逸出功W0是一定的,故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大,与入射光强度无关
光电效应具有瞬时性
光照射金属时,电子吸收一个光子的能量后,动能立即增大,不需要能量积累的过程
光较强时饱和电流大
光较强时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和电流较大
[小题练通]
1.(多选)(人教教材演示实验改编题)如图所示,用导线把验电器与锌板相连接,当用紫外线照射锌板时,发生的现象是( )
A.有光子从锌板逸出
B.有电子从锌板逸出
C.验电器指针张开一个角度
D.锌板带负电
解析:
选BC 当用紫外线照射锌板时,发生光电效应,有电子从锌板逸出,锌板带正电,验电器指针张开一个角度,故B、C正确。
2.(多选)如图所示,电路中所有元件完好,但当光照射到光电管上的金属材料上时,灵敏电流计中没有电流通过,其原因可能是( )
A.入射光太弱
B.入射光的波长太长
C.光照时间短
D.电源正、负极接反
解析:
选BD 若入射光的频率小于极限频率,则没有光电子逸出,入射光的波长越长,频率越小;若所加反向电压大于遏止电压,则电子就不能到达阳极,也不会有光电流,故B、D正确。
3.(粤教教材原题)用某种色光照射到金属表面时,金属表面有光电子飞出,如果光的强度减弱而频率不变,则( )
A.光的强度减弱到某一最低数值时,就没有光电子飞出
B.单位时间内飞出的光电子数目减少
C.逸出的光电子的最大初动能减小
D.单位时间内逸出的光电子数目和最大初动能都减小
解析:
选B 光的强度减弱而频率不变,则仍有光电子飞出,只是单位时间内飞出的光电子数目减少,而光电子的最大初动能与光的频率有关,频率不变最大初动能不变,故B正确。
4.(多选)如图所示,是工业生产中大部分光电控制设备(如夜亮昼熄的路灯)用到的光控继电器的示意图,它由电源、光电管、放大器、电磁继电器等几部分组成。
当用绿光照射光电管阴极K时,可以发生光电效应,则下列说法中正确的是( )
A.增大绿光照射强度,光电子最大初动能增大
B.增大绿光照射强度,电路中的光电流增大
C.改用波长比绿光波长大的光照射光电管阴极K时,电路中一定有光电流
D.改用频率比绿光频率大的光照射光电管阴极K时,电路中一定有光电流
解析:
选BD 增大绿光照射强度,光电子最大初动能不变,而光电流增大,A错误,B正确;改用频率大的光照射,入射光频率一定大于极限频率,则一定有光电流,D正确;光的波长越大频率越小,改用波长大的光照射,入射光频率不一定大于极限频率,则不一定有光电流,C错误。
[融会贯通]
(1)光电子的最大初动能取决于入射光的频率。
(2)单位时间内逸出的光电子数取决于入射光的强弱。
点点通
(二) 爱因斯坦的光电效应方程及应用
1.光子说:
在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量ε=hν。
2.逸出功W0:
电子从金属中逸出所需做功的最小值。
3.最大初动能:
发生光电效应时,金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。
4.光电效应方程
(1)表达式:
Ek=hν-W0。
(2)物理意义:
金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek。
5.光电效应的四类图像
图像名称
图线形状
由图线直接(间接)得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①极限频率:
图线与ν轴交点的横坐标νc
②逸出功:
图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0=|-E|=E
③普朗克常量:
图线的斜率k=h
颜色相同、强度不同的光,光电流与电压的关系
①遏止电压Uc:
图线与横轴的交点
②饱和光电流Im:
电流的最大值
③最大初动能:
Ek=eUc
颜色不同时,光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①极限频率νc:
图线与横轴的交点
②遏止电压Uc:
随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h:
等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke(注:
此时两极之间接反向电压)
[小题练通]
1.(2018·全国卷Ⅱ)用波长为300nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19J。
已知普朗克常量为6.63×10-34J·s,真空中的光速为3.00×108m·s-1。
能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( )
A.1×1014Hz B.8×1014Hz
C.2×1015HzD.8×1015Hz
解析:
选B 设单色光的最低频率为ν0,由爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν1-W0,0=hν0-W0,又ν1=,整理得ν0=-,代入数据解得ν0≈8×1014Hz,B正确。
2.(多选)(人教教材改编题)在光电效应实验中,用频率为ν的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是( )
A.增大入射光的强度,光电流增大
B.减小入射光的强度,光电效应现象消失
C.改用频率小于ν的光照射,一定不发生光电效应
D.改用频率大于ν的光照射,光电子的最大初动能增大
解析:
选AD 增大入射光的强度,单位时间内照射到单位面积上的光子数目增加,则光电流将增大,故选项A正确;光电效应是否发生取决于入射光的频率,而与入射光强度无关,故选项B错误;用频率为ν的光照射光电管阴极,发生光电效应,用频率较小的光照射时,若光的频率仍大于极限频率,则仍会发生光电效应,故选项C错误;根据hν-W逸=mv2可知,增大入射光频率,光电子的最大初动能也增大,故选项D正确。
3.(多选)(2017·全国卷Ⅲ)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。
h为普朗克常量。
下列说法正确的是( )
A.若νa>νb,则一定有Ua B.若νa>νb,则一定有Eka>Ekb C.若Ua D.若νa>νb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb 解析: 选BC 设该金属的逸出功为W0,根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W0,同种金属的W0不变,则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大,B项正确;又Ek=eU,则最大初动能与遏止电压成正比,C项正确;根据上述有eU=hν-W0,遏止电压U随ν增大而增大,A项错误;又有hν-Ek=W0,W0相同,D项错误。 4.(多选)(沪科教材原题)在演示光电效应的实验中,某金属被光照射后产生了光电效应现象,实验测出了光电子的最大动能Ekm与入射光频率ν的关系,如图所示。 由Ekmν图像可求出( ) A.该金属的逸出功 B.该金属的极限频率 C.单位时间内逸出的光电子数 D.普朗克常量 解析: 选ABD 根据光电效应方程Ekm=hν-W0=hν-hν0知,图线的斜率表示普朗克常量,根据图线斜率可得出普朗克常量。 横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率,此时的频率等于金属的极限频率,根据W0=hν0可求出逸出功。 单位时间内逸出的光电子数无法从图像中获知。 故A、B、D正确,C错误。 5.(多选)在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示,若该直线的斜率和纵截距分别为k和-b,电子电荷量的绝对值为e,则( ) A.普朗克常量可表示为 B.若更换材料再实验,得到的图线的k不改变,b改变 C.所用材料的逸出功可表示为eb D.b由入射光决定,与所用材料无关 解析: 选BC 根据光电效应方程Ekm=hν-W0,以及Ekm=eUc,得: Uc=-,图线的斜率k=,解得普朗克常量h=ke,故A错误;纵轴截距的绝对值b=,解得逸出功W0=eb,故C正确;b等于逸出功与电荷量的比值,而逸出功与材料有关,则b与材料有关,故D错误;更换材料再实验,由于逸出功变化,可知图线的斜率不改变,纵轴截距改变,故B正确。 [融会贯通] 利用光电效应分析问题,应把握的三个关系 (1)爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,式中W0为逸出功,它与极限频率νc的关系是W0=hνc。 (2)Ekν图像反映了光电子的最大初动能和入射光频率的关系。 (3)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管通过实验的方法测得,即Ek=eUc,其中Uc是遏止电压。 点点通(三) 对波粒二象性的理解 1.光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振现象证明了光具有波动性。 (2)光电效应说明光具有粒子性。 (3)光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。 2.对光的波粒二象性的理解 从数量 上看 个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性 从频率 上看 频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强 从传播 与作用 上看 光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现出粒子性 波动性 与粒子 性的 统一 由光子的能量ε=hν、光子的动量表达式p=也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾,表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ [小题练通] 1.(粤教教材原题)下列说法中正确的是( ) A.光的波粒二象性学说彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说 B.在光的双缝干涉实验中,暗条纹的地方是光子永远不能到达的地方 C.光的双缝干涉实验中,大量光子打在光屏上的落点是有规律的,暗纹处落下光子的概率小 D.单个光子具有粒子性,大量光子具有波动性 E.光的波动性是因为光子之间的相互作用的结果 解析: 选C 光的波粒二象性和光的电磁说并不互相矛盾,A错误;暗条纹的地方是光子到达的概率小的地方,B错误,C正确;光子既具有粒子性也具有波动性,只是单个光子粒子性比较明显,大量光子波动性比较明显,D错误;光的波动性不是光子之间的相互作用的结果,E错误。 2.(人教教材改编题)用很弱的光做双缝干涉实验,把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在,如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。 这些照片说明( ) A.光只有粒子性没有波动性 B.光只有波动性没有粒子性 C.少量光子的运动显示波动性,大量光子的运动显示粒子性 D.少量光子的运动显示粒子性,大量光子的运动显示波动性 解析: 选D 由题图可以看出,少量光子的运动显示粒子性,大量光子的运动显示波动性,故D正确。 1.如图所示,当弧光灯射出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器铝箔有张角,则该实验( ) A.只能证明光具有波动性 B.只能证明光具有粒子性 C.只能证明光能够发生衍射 D.证明光具有波粒二象性 解析: 选D 弧光灯射出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,这是光的衍射,证明了光具有波动性;验电器铝箔有张角,说明锌板发生了光电效应,则证明了光具有粒子性,所以该实验证明了光具有波粒二象性,D正确。 2.下表给出了一些金属材料的逸出功。 现用波长为400nm的单色光照射这些材料,能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量h=6.6×10-34J·s,光速c=3×108m/s)( ) 材料 铯 钙 镁 铍 钛 逸出功(×10-19J) 3.0 4.3 5.9 6.2 6.6 A.2种 B.3种 C.4种D.5种 解析: 选A 光电效应发生的条件是入射光的频率大于金属的极限频率,入射光的能量大于金属的逸出功,单色光的能量为ε=hν=h,解得ε=6.6×10-34×J=4.95×10-19J,由表中材料可知光子能量大于逸出功的金属有2种,所以A项正确,B、C、D项错误。 3.两束能量相同的色光,都垂直地照射到物体表面,第一束光在某段时间内打到物体表面的光子数与第二束光在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4,则这两束光的光子能量和波长之比分别为( ) A.4∶5 4∶5B.5∶4 4∶5 C.5∶4 5∶4D.4∶5 5∶4 解析: 选D 两束能量相同的色光,都垂直地照射到物体表面,在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4,根据E=NE0可得光子能量之比为4∶5,再根据E0=hν=h,可知光子能量与波长成反比,故光子波长之比为5∶4。 故D正确。 4.(2017·北京高考)2017年年初,我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置,发出了波长在100nm(1nm=10-9m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。 “大连光源”因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。 一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子,但又不会把分子打碎。 据此判断,能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h=6.6×10-34J·s,真空光速c=3×108m/s)( ) A.10-21JB.10-18J C.10-15JD.10-12J 解析: 选B 光子的能量E=hν,c=λν,联立解得E≈2×10-18J,B项正确。 5.如图所示,两平行金属板A、B板间电压恒为U,一束波长为λ的入射光射到金属板B上,使B板发生了光电效应,已知该金属板的逸出功为W,电子的质量为m,电荷量为e,已知普朗克常量为h,真空中光速为c,下列说法中不正确的是( ) A.该入射光的能量为h B.到达A板的光电子的最大动能为h-W+eU C.若增大两板间电压,B板没有光电子逸出 D.若减小入射光的波长,一定会有光电子逸出 解析: 选C 根据E=hν,而ν=,则该入射光的能量为h,故A正确;逸出光电子的最大动能Ekm=h-W,根据动能定理,eU=Ekm′-Ekm,则到达A板的光电子的最大动能为Ekm′=h-W+eU,故B正确;若增大两板间电压,不会影响光电效应现象,仍有光电子逸出,故C错误;若减小入射光的波长,那么入射光的频率增大,一定会有光电子逸出,故D正确。 6.(多选)某同学在研究某金属的光电效应现象时,发现该金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示。 若图线在横、纵坐标轴上的截距分别为a和-b,已知电子所带电荷量为e,由图像可以得到( ) A.该金属的逸出功为零 B.普朗克常量为,单位为J·Hz C.当入射光的频率为2a时,逸出光电子的最大初动能为b D.当入射光的频率为3a时,遏止电压为 解析: 选CD 根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可知Ekν图线的斜率表示普朗克常量h,即h==,单位为J/Hz,图线与纵轴截距的绝对值表示金属的逸出功W0,由题图知W0=b,选项A、B错误;当入射光的频率ν=2a时,由Ek=hν-W0,可得光电子的最大初动能Ek=·2a-b=b,当入射光的频率为3a时,光电子的最大初动能为Ek=2b,由最大初动能Ek与遏止电压的关系式Ek=eUc可知,遏止电压为Uc=,选项C、D正确。 7.(多选)在光电效应实验中,飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图所示。 则可判断出( ) A.甲光的频率大于乙光的频率 B.乙光的波长大于丙光的波长 C.乙光的截止频率大于丙光的截止频率 D.甲光的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能 解析: 选BD 因光电管不变,所以逸出功不变。 由图像知甲光、乙光对应的遏止电压相等,且小于丙光对应的遏止电压,所以甲光和乙光的光电子最大初动能相等且小于丙光的光电子最大初动能,故D正确;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0知甲光和乙光的频率相等,且小于丙光的频率,光的频率越大,波长越小,故A错误,B正确;截止频率是由金属决定的,与入射光无关,故C错误。 8.(多选)美国物理学家密立根利用如图甲所示的电路研究金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系,描绘出如图乙所示的图像,由此算出普朗克常量h,电子电荷量用e表示,下列说法正确的是( ) A.入射光的频率增大,测遏止电压时,应使滑动变阻器的滑片P向M端移动 B.增大入射光的强度,光电子的最大初动能也增大 C.由Ucν图像可知,这种金属截止频率为νc D.由Ucν图像可求普朗克常量表达式为h= 解析: 选CD 入射光的频率增大,光电子的最大初动能增大,则遏止电压增大,测遏止电压时,应使滑动变阻器的滑片P向N端移动,故A错误;根据光电效应方程Ekm=hν-W0知,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,故B错误;根据Ekm=hν-W0=eUc,解得Uc=-,图线的斜率k==,则h=,当遏止电压为零时,ν=νc,故C、D正确。 9.(多选)分别用波长为λ和2λ的光照射同一种金属,产生的速度最快的光电子速度之比为2∶1,普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示,下列说法正确的有( ) A.该种金属的逸出功为 B.该种金属的逸出功为 C.波长超过2λ的光都不能使该金属发生光电效应 D.波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应 解析: 选AD 由hν=W0+Ek知h=W0+mv12,h=W0+mv22,又v1=2v2,解得W0=,故选项A正确,B错误;光的波长小于或等于3λ时才能发生光电效应,故选项C错误,D正确。 10.(多选)在光的双缝干涉实验中,光屏前放上照相底片并设法减弱光子流的强度,尽可能使光子一个一个地通过狭缝,对于曝光时间不长和曝光时间足够长的两种情况,以下说法正确的是( ) A.若曝光时间不长,则底片上出现一些无规则的点 B.若曝光时间足够长,则底片上出现干涉条纹 C.这一实验结果证明了光具有波粒二象性 D.这一实验结果否定了光具有粒子性 解析: 选ABC 若曝光时间不长,可知光子数不多,往往表现为粒子性,在底片上出现一些不规则的点,A正确;若曝光时间足够长,可知光子数较多,往往表现为波动性,在底片上出现干涉条纹,B正确;该实验表明光具有波粒二象性,C正确,D错误。 第73课时 原子结构与原子核(双基落实课) 点点通 (一) 原子的核式结构 1.电子的发现 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子,提出了原子的“枣糕模型”。 2.α粒子散射实验 (1)α粒子散射实验装置 (2)α粒子散射实验的结果: 绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但少数α粒子穿过金箔后发生了大角度偏转,极少数α粒子甚至被“撞了回来”。 3.原子的核式结构模型 (1)在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外绕核旋转。 (2)核式结构模型的局限性: 卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释α粒子散射实验现象,但不能解释原子光谱是特征光谱和原子的稳定性。 [小题练通] 1.(粤教教材原题)如图的4个选项中,O点表示某原子核的位置,曲线ab和cd表示经过该原子核附近的α粒子的运动轨迹,正确的图是( ) 解析: 选D α粒子经过原子核时受原子核的库仑斥力,离原子核越近斥力作用越强,由此判断,D正确。 2.如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹,M、N、P、Q是轨迹上的四点,在散射过程中可以认为重金属原子核静止。 图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是( ) A.M点B.N点 C.P点D.Q点 解析: 选C α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电,互相排斥,加速度方向与α粒子所受斥力方向相同。 带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧,故只有选项C正确。 [融会贯通] (1)根据α粒子散射的现象可以得出原子的核式结构模型。 (2)少数α粒子发生大角度偏转是由于经过原子核附近时受到了较强的作用力。 (3)原子核与α粒子之间的作用力为库仑斥力,距离越近,斥力越强。 点点通 (二) 能级跃迁 1.氢原子光谱 (1)光谱: 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。 (2)光谱分类 (3)氢原子光谱的实验规律: 氢原子光谱是线状光谱,巴耳末系谱线的波长满足=R(n=3,4,5,…,R是里德伯常量,R=1.10×107m-1)。 (4)光谱分析: 利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分,且灵敏度很高。 在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。 2.氢原子的能级结构、能级公式 (1)玻尔理论 ①定态: 原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。 ②跃迁: 电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时,会放出能量为hν的光子,这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定,即hν=Em-En。 (h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s) ③轨道: 原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。 原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道也是不连续的。 (2)几个概念 ①能级: 在玻尔理论中,原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值,叫做能级。 ②基态: 原子能量最低的状态。 ③激发态: 在原子能量状态中除基态之外的其他的状态。 ④量子数: 原子的状态是不连续的,用于表示原子状态的正整数。 (3)氢原子的能级公式: En=E1(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,其数值为E1=-13.6eV。 (4)氢原子的半径公式: rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.53×10-10m。 3.氢原子的能级图 [小题练通] 1.(多选)(教科教材原题)根据玻尔原子结构理论,原子中电子绕核运动的半径( ) A.可以取任意值 B.是一系列不连续的特定值 C.可以在某一范围内任意取值 D.不同的轨道半径与不同的能量状态相对应 解析: 选BD 根据玻尔原子结构理论,电子绕核运动的半径只能是一系列不连续的特
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