【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.知道光電效應(yīng)現(xiàn)象,了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2.知道愛因斯坦的光子說及對光電效應(yīng)的解釋,會用光電效應(yīng)方程解決一些簡單問題。3.了光的波粒二象性。
1.光電效應(yīng)定義照射到金屬表面的光,能使金屬中的________從表面逸出的現(xiàn)象。2.光電子光電效應(yīng)中發(fā)射出來的________。
光電效應(yīng)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)規(guī)律
3.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)截止頻率:當(dāng)入射光的頻率________到某一數(shù)值νc時(shí),光電流消失,表面已經(jīng)沒有光電子了,νc稱為截止頻率。(2)存在著________電流。入射光強(qiáng)度一定,單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子數(shù)________。入射光越強(qiáng),飽和電流________,表明入射光越強(qiáng),單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)________。(3)遏止電壓:施加反向電壓,使光電流減小到0的____________Uc稱為遏止電壓。(4)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性:當(dāng)頻率超過截止頻率νc時(shí),光電效應(yīng)幾乎是________發(fā)生的。
4.逸出功使電子________某種金屬所做功的__________,叫作這種金屬的逸出功,用W0表示,不同金屬的逸出功________。
1.光子說(1)內(nèi)容光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的,而且________就是由一個個不可分割的_________組成的,頻率為ν的光的能量子為________,這些能量子稱為光子。(2)光子能量公式為ε=hν,其中ν指光的________。
愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
2.光電效應(yīng)方程(1)對光電效應(yīng)的說明在光電效應(yīng)中,金屬中的電子吸收____________獲得的能量是________,其中一部分用來克服金屬的____________,另一部分為光電子的____________。(2)光電效應(yīng)方程Ek=____________。
3.對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋(1)光電子的最大初動能與入射光________有關(guān),與光的________無關(guān)。只有當(dāng)hν________時(shí),才有光電子逸出。(2)電子__________吸收光子的全部能量,__________積累能量的時(shí)間。(3)對于同種顏色的光,光較強(qiáng)時(shí),包含的__________較多,照射金屬時(shí)產(chǎn)生的__________較多,因而飽和電流較大。
說明:①光越強(qiáng),包含的光子數(shù)越多,照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子就多,因而飽和電流大;②入射光的強(qiáng)度,指單位時(shí)間照射在金屬單位面積上的光子總能量,在入射光頻率不變的情況下,光強(qiáng)與光子數(shù)成正比;③單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的電子數(shù)由光強(qiáng)決定。
1.康普頓效應(yīng)在散射的X射線中,除了與入射波長λ0相同的成分外,還有波長________λ0的成分,這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。2.光子的動量光子不僅具有能量,而且具有________,公式:p=______。
康普頓效應(yīng)和光子的動量
『判一判』(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。(  )(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。(  )(3)入射光照射到金屬表面上時(shí),光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。(  )(4)光子發(fā)生散射時(shí),其動量大小發(fā)生變化,但光子的頻率不發(fā)生變化。(  )(5)光子發(fā)生散射后,其波長變大。(  )
『選一選』(多選)(2021·北京市臨川育人中學(xué)高二下學(xué)期期中)如圖所示,電路中所有元件完好,當(dāng)光照射到光電管上時(shí),靈敏電流計(jì)中沒有電流通過,可能的原因是(   )A.入射光強(qiáng)度較弱B.入射光波長太長C.光照射時(shí)間太短D.電源正負(fù)極接反
解析:光電管能否產(chǎn)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度、光照時(shí)間沒有關(guān)系,當(dāng)入射光波長小于金屬的極限波長時(shí),即入射光頻率大于金屬的極限頻率時(shí),金屬才能產(chǎn)生光電效應(yīng),A、C錯誤;若入射光波長大于金屬的極限波長時(shí),金屬不能產(chǎn)生光電效應(yīng),靈敏電流計(jì)中沒有電流通過,B正確;電源正負(fù)極接反時(shí),光電管加上反向電壓,光電子做減速運(yùn)動,可能到達(dá)不了陽極,電路中不能形成電流,D正確。
『想一想』如圖所示,把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上,用紫外線燈照射鋅板,觀察到驗(yàn)電器的指針發(fā)生了變化,這說明鋅板帶了電。你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎?
答案:鋅板在紫外線燈的照射下發(fā)生了光電效應(yīng),發(fā)射出光電子,因此鋅板會顯示正電性,驗(yàn)電器會因帶正電荷而使金屬箔片張開一定角度。
光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律
如圖所示的光電管電路中,用紫光照射光電管,靈敏電流計(jì)G指針未發(fā)生偏轉(zhuǎn),回答下列問題。
(1)用紫外線照射,靈敏電流計(jì)指針可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)嗎?(2)光電效應(yīng)中的光電子就是光子嗎?(3)增大紫光的光照強(qiáng)度可以使靈敏電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)嗎?(4)當(dāng)用紫外線照射有光電子射出金屬,不斷增大電壓,靈敏電流計(jì)指針偏角會持續(xù)增大嗎?提示:(1)可能。發(fā)生光電效應(yīng)取決于光照頻率。(2)不是,光電子與光子是兩回事,光電子是電子。(3)不能。(4)當(dāng)電壓增大到一定值后光電流不會持續(xù)增加,達(dá)到飽和光電流,因此指針偏角不會持續(xù)增大。
1.光電效應(yīng)現(xiàn)象存在遏止電壓和截止頻率,當(dāng)所加電壓U為0時(shí),電流I并不為0。只有施加反向電壓,也就是陰極接電源正極、陽極接電源負(fù)極,在光電管兩極間形成使電子減速的電場,電流才有可能為0。使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度。
當(dāng)光照射在金屬表面時(shí)有電子從金屬表面逸出,但并不是任何頻率的入射光都能引起光電效應(yīng)。對于某種金屬材料,只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率νc時(shí),電子才能從金屬表面逸出,形成光電流。當(dāng)入射光的頻率小于νc時(shí),即使不施加反向電壓也沒有光電流,這表明沒有光電子逸出,這一頻率νc稱為截止頻率或極限頻率。截止頻率與陰極材料有關(guān),不同的金屬材料的νc一般不同。如果入射光的頻率ν小于截止頻率νc,那么,無論入射光的光強(qiáng)多大,都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。
2.光電效應(yīng)與經(jīng)典電磁理論的矛盾。(1)矛盾之一:遏止電壓由入射光頻率決定,與光的強(qiáng)弱無關(guān)按照光的經(jīng)典電磁理論,光越強(qiáng),光電子的初動能應(yīng)該越大,所以遏止電壓應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān),而實(shí)驗(yàn)表明:遏止電壓由入射光的頻率決定,與光強(qiáng)無關(guān)。
(2)矛盾之二:存在截止頻率按照光的經(jīng)典電磁理論,不管光的頻率如何,只要光足夠強(qiáng),電子都可獲得足夠的能量從而逸出表面,不應(yīng)存在截止頻率。而實(shí)驗(yàn)表明:不同金屬有不同的截止頻率,入射光頻率大于遏止頻率時(shí)才會發(fā)生光電效應(yīng)。(3)矛盾之三:具有瞬時(shí)性按照光的經(jīng)典電磁理論,如果光很弱,電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量。而實(shí)驗(yàn)表明:無論入射光怎樣微弱,光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的。
     (2021·江蘇鹽城期末)如圖所示,閉合開關(guān)后,當(dāng)光照射到光電管K極時(shí),靈敏電流計(jì)指針沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn),檢查電路沒有發(fā)現(xiàn)斷路情況,各元件也正常。發(fā)生這種情況可能的原因是(  )A.電源電壓太高B.入射光波長太長C.入射光強(qiáng)度較弱D.光照射時(shí)間太短
解析:由圖可知,閉合開關(guān)后,電源提供的電壓為正向電壓,只要能發(fā)生光電效應(yīng),電路中就有電流,故A錯誤;若入射光波長太長,入射光的頻率可能會低于截止頻率,此時(shí)金屬不能產(chǎn)生光電效應(yīng),而能否產(chǎn)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度以及光照射的時(shí)間都無關(guān),故B正確,C、D錯誤。
1.(2021·吉林長春東北師大附中段考)下列關(guān)于光電效應(yīng)現(xiàn)象的表述中,錯誤的表述是(  )A.光電效應(yīng)是指照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象B.光電效應(yīng)存在截止頻率C.照射光光強(qiáng)太弱時(shí)不可能發(fā)生光電效應(yīng)D.光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的
解析:光電效應(yīng)是指照射到金屬表面的光能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象,A正確;根據(jù)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可知,B、D正確;光電效應(yīng)現(xiàn)象是否發(fā)生與入射光的強(qiáng)度無關(guān),當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí),就可以發(fā)生光電效應(yīng),C錯誤。
深沉的夜色中,在大海上航行的船舶依靠航標(biāo)燈指引航道,如圖所示是一個航標(biāo)燈自動控制電路的示意圖。電路中的光電管陰極K涂有可發(fā)生光電效應(yīng)的金屬。下表反映的是各種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率和極限波長,又知可見光的波長在400~770 nm(1 nm=10-9 m)。
各種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率和極限波長:
試分析:(1)光電管陰極K上應(yīng)涂有哪種金屬?(2)控制電路中的開關(guān)S應(yīng)接觸“a”還是“b”?
提示:(1)因?yàn)榭梢姽獾牟ㄩL只小于銫的極限波長,所以光電管陰極K上應(yīng)涂有金屬銫。(2)夜晚沒有光,不能發(fā)生光電效應(yīng),但是指示燈亮,知開關(guān)S與b端相連。
1.對光電效應(yīng)方程的理解(1)光電子的動能方程Ek=hν-W0中,Ek為光電子的最大初動能,就某個光電子而言,其離開金屬時(shí)的動能大小可以是零到最大值范圍內(nèi)的任何數(shù)值。(2)方程實(shí)質(zhì)方程Ek=hν-W0實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程。
(4)截止頻率νc方程Ek=hν-W0表明,光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν存在線性關(guān)系(如圖所示),與光強(qiáng)無關(guān)。圖中橫軸上的截距是遏止頻率或極限頻率,縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值,圖線的斜率為普朗克常量。
(5)逸出功方程Ek=hν-W0中的逸出功W0為從金屬表面逸出的電子克服束縛而消耗的最少能量,不同金屬的逸出功是不同的。
2.光電效應(yīng)規(guī)律中的兩條線索、兩個關(guān)系(1)兩條線索
(2)兩個關(guān)系光強(qiáng)→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大;光子頻率高→光子能量大→產(chǎn)生光電子的最大初動能大。
3.光電效應(yīng)幾種圖像的對比
(1)逸出功和截止頻率均由金屬本身決定,與其他因素?zé)o關(guān)。(2)光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大,但不是正比關(guān)系。
     (2020·云南省云天化中學(xué)高二春季開學(xué)試題)某金屬發(fā)生光電效應(yīng),光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖所示。
已知h為普朗克常量,e為電子電荷量的絕對值,結(jié)合圖像所給信息,下列說法正確的是(  )
解題指導(dǎo):(1)根據(jù)圖像可直接讀出極限頻率;(2)根據(jù)光電效應(yīng)方程可分析入射光頻率、遏止電壓、金屬的逸出功和最大初動能之間的關(guān)系。
2.(2021·北京市昌平區(qū)高二月考)圖甲是光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖,圖乙是光電流與加在陽極A和陰極K上的電壓的關(guān)系圖像。
下列說法正確的是(  )A.飽和電流的大小,由入射光的顏色決定B.只要增大電壓,光電流就會一直增大C.對某種確定的金屬,其遏止電壓只由入射光的頻率決定D.不論哪種顏色的入射光,只要光足夠強(qiáng),就能發(fā)生光電效應(yīng)
解析:通過圖像分析得出,飽和電流的大小,由入射光的強(qiáng)度決定,A錯誤;通過圖像分析得出,當(dāng)達(dá)到飽和電流后,繼續(xù)增加電壓,電流不再增大,B錯誤;根據(jù)圖像分析得出,光電流為零時(shí),eUc=hν-W0,所以其遏止電壓只由入射光的頻率決定,C正確;只有當(dāng)光的頻率高于截止頻率才能發(fā)生光電效應(yīng),與光強(qiáng)無關(guān),D錯誤。
3.用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)用光子能量為2.75 eV的光照射到光電管上時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng),電流表G的示數(shù)不為零;移動變阻器的觸頭c,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于1.7 V時(shí),電流表示數(shù)為0,則下列說法正確的是      (   )
A.光電子的最大初動能始終為1.05 eVB.光電管陰極的逸出功為1.05 eVC.當(dāng)滑動觸頭向a端滑動時(shí),反向電壓增大,電流增大D.改用能量為2.5 eV的光子照射,移動變阻器的觸頭c,電流表G中也可能有電流
解析:由愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0可知,同種金屬的逸出功相同,所以光電子逸出后的最大初動能取決于獲得的能量,A錯誤;當(dāng)電壓表示數(shù)大于或等于1.7 V時(shí),電流表無示數(shù),說明遏止電壓為1.7 V,由eU=Ek,Ek=hν-W0,可求得光電管的逸出功為1.05 eV,B正確;若光的頻率不變,反向電壓大于遏止電壓后電路中就不再有電流,C錯誤;當(dāng)入射光頻率超過截止頻率,且反向電壓小于遏止電壓,電路中就會有電流,D正確。
曾有一位記者向物理學(xué)家諾貝爾獎獲得者布拉格請教:光是波還是粒子?布拉格幽默地答道:“星期一、三、五它是一個波,星期二、四、六它是一個粒子,星期天物理學(xué)家休息?!蹦敲垂獾谋举|(zhì)到底是什么呢?關(guān)于光的本質(zhì)的認(rèn)識有哪些學(xué)說?
?提示:光具有波粒二象性。①牛頓——微粒說;②托馬斯·楊和菲涅耳——波動說;③麥克斯韋——電磁說;④愛因斯坦——光子說;⑤光的波粒二象性。
1.光的波粒二象性的理解
2.光的波粒二象性(1)大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動性,比如干涉、衍射現(xiàn)象中,如果用強(qiáng)光照射,在光屏上立刻出現(xiàn)了干涉、衍射條紋,波動性體現(xiàn)了出來;個別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性,如果用微弱的光照射,在屏上就只能觀察到一些分布毫無規(guī)律的光點(diǎn),粒子性得到充分體現(xiàn);但是如果微弱的光在照射時(shí)間加長的情況下,在感光底片上的光點(diǎn)分布又會出現(xiàn)一定的規(guī)律性,傾向于干涉、衍射的分布規(guī)律。這些實(shí)驗(yàn),為人們認(rèn)識光的波粒二象性提供了良好的依據(jù)。
(2)光子和電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子一樣具有能量和動量,個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性,如光子與電子的作用是一份一份進(jìn)行的,這些都體現(xiàn)了光的粒子性。(3)對不同頻率的光,頻率低、波長長的光,波動性特征顯著;而頻率高、波長短的光,粒子性特征顯著。
     下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中,正確的是(  )A.有的光是波,有的光是粒子B.光子與電子是同樣的一種粒子C.光的波長越長,其波動性越顯著;波長越短,其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出粒子性解題指導(dǎo):在宏觀現(xiàn)象中,波與粒子是對立的概念,而在微觀世界中,波與粒子可以統(tǒng)一。光具有波粒二象性是指光在傳播過程中和同其他物質(zhì)作用時(shí)分別表現(xiàn)出波和粒子的特性。
解析:一切光都具有波粒二象性,光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性,光的有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性,所以,不能說有的光是波,有的光是粒子。雖然光子與電子都是微觀粒子,都具有波粒二象性,但電子是實(shí)物粒子,有靜止質(zhì)量,光子不是實(shí)物粒子,沒有靜止質(zhì)量,電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì),光子是以場形式存在的物質(zhì),所以,不能說光子與電子是同樣的一種粒子。
光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明,大量光子的行為表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性。光的波長越長,衍射性越好,即波動性越顯著,光的波長越短,其光子能量越大,個別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應(yīng),所以其粒子性就很顯著,故選項(xiàng)C正確,A、B、D錯誤。
4.人類對光的本性認(rèn)識的過程中先后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),如圖所示的四個示意圖所表示的實(shí)驗(yàn)說明光具有波動性的是__________,說明光具有粒子性的是______。
解析:C為光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),證明了光的粒子性;其余的三個實(shí)驗(yàn)均證明了光的波動性。
光電效應(yīng)中幾個易混淆的概念
1.光子與光電子光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量,光子不帶電,光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來的電子,其本質(zhì)是電子,光子是光電效應(yīng)的因,光電子是果。
2.光電子的動能與光電子的最大初動能光照射到金屬表面時(shí), 光子的能量全部被電子吸收,電子吸收光子的能量,可能向各個方向運(yùn)動,需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的初動能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí),只需克服原子核的引力做功,才具有最大初動能。光電子的初動能小于等于光電子的最大初動能。
3.光子的能量與入射光的強(qiáng)度光子的能量即每個光子的能量,其值為E=hν(ν為光子的頻率),其大小由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量;入射光的強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)入射光子數(shù)與光子能量的乘積。4.光電流和飽和光電流金屬板飛出的光電子到達(dá)陽極,回路中便產(chǎn)生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個飽和值,這個飽和值是飽和光電流,在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。
    用同一束單色光,在同一條件下,先后照射鋅片和銀片,都能產(chǎn)生光電效應(yīng),這兩個過程中,對下列四個量,一定相同的是______,可能相同的是______,一定不相同的是________。A.光子的能量B.金屬的逸出功C.光電子動能D.光電子最大初動能
解析:光子的能量由光的頻率決定,同一束單色光頻率相同,因而光子能量相同,逸出功等于電子脫離原子核束縛需要做的最小的功,因此只由材料決定,鋅片和銀片的逸出功一定不相同。由Ek=hν-W,照射光子能量hν相同,逸出功W不同,則光電子最大初動能也不同,由于電子吸收光子后到達(dá)金屬表面的路徑不同,途中損失的能量也不同,因而脫離金屬時(shí)的動能可能分布在零到最大初動能之間,所以,兩個不同光電效應(yīng)的光電子中,動能是可能相等的。
1.(2021·北京101中學(xué)高二月考)如圖所示,把一塊不帶電的鋅板用導(dǎo)線連接在驗(yàn)電器上,當(dāng)用某頻率的紫外線照射鋅板時(shí),發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針偏轉(zhuǎn)一定角度,
?下列說法正確的是(  )A.驗(yàn)電器帶正電,鋅板帶負(fù)電B.驗(yàn)電器帶負(fù)電,鋅板也帶負(fù)電C.若改用紅光照射鋅板,驗(yàn)電器的指針一定也會偏轉(zhuǎn)D.若改用同等強(qiáng)度頻率更高的紫外線照射鋅板,驗(yàn)電器的指針也會偏轉(zhuǎn)
解析:用紫外線照射鋅板,鋅板失去電子帶正電,驗(yàn)電器與鋅板連接,則驗(yàn)電器帶正電,故AB錯誤;根據(jù)光電效應(yīng)的條件可知若改用紅光照射鋅板,不一定能發(fā)生光電效應(yīng),所以驗(yàn)電器的指針不一定會發(fā)生偏轉(zhuǎn),C錯誤;根據(jù)光電效應(yīng)的條件可知發(fā)生光電效應(yīng)與光的強(qiáng)度無關(guān),若改用同等強(qiáng)度頻率更高的紫外線照射鋅板,驗(yàn)電器的指針也會偏轉(zhuǎn),D正確。
2.(多選)(2021·吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二月考)根據(jù)愛因斯坦“光子說”可知,下列說法錯誤的是(   )A.“光子說”本質(zhì)就是牛頓的“微粒說”B.光的波長越大,光子的能量越小C.一束單色光的能量可以連續(xù)變化D.只有光子數(shù)很多時(shí),光才具有粒子性
3.(多選)(2020·山西省忻州市第一中學(xué)高二下學(xué)期期中)如圖所示,是研究光電效應(yīng)的電路圖,對于某金屬用綠光照射時(shí),電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
則以下說法正確的是(   )A.將滑動變阻器滑動片向右移動,電流表的示數(shù)不一定增大B.如果改用紫光照射該金屬時(shí),電流表無示數(shù)C.將K極換成逸出功小的金屬板,仍用相同的綠光照射時(shí),電流表的示數(shù)一定增大D.將電源的正負(fù)極調(diào)換,仍用相同的綠光照射時(shí),將滑動變阻器滑動片向右移動一些,電流表的讀數(shù)可能不為零

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高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第三冊電子課本

2 光電效應(yīng)

版本: 人教版 (2019)

年級: 選擇性必修 第三冊

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