歷史上許多民族都將太陽作為頂禮膜拜的神明。如果沒有太陽，地球就會處在黑暗和冰冷的長夜中，也不會孕育出任何生命。實際上，宇宙中除了太陽還有無數(shù)的恒星，那些恒星離我們非常遙遠，所以看起來沒有太陽那么大、那么亮。太陽是離地球最近的一顆恒星。許多恒星比太陽還大。每顆恒星都在釋放巨大的能量，它們每時每刻都在向外輻射著驚人的光和熱 。太陽和其他恒星為什么會輻射如此巨大的能量？人類利用的能量都是由太陽提供的嗎？人類使用的能量是無窮無盡的嗎？讓我們在本章中一起探索這些有趣的問題吧！
1. 了解原子、原子核的結(jié)構(gòu)。2. 知道核能的優(yōu)點和可能帶來的問題，了解我國和世界核能利用新進展。3. 了解核裂變、核聚變。
1. 復(fù)習(xí)——回憶核電站工作時的能量轉(zhuǎn)化
我們知道，20世紀40年代，科學(xué)家發(fā)明了可以控制核能釋放的裝置——核反應(yīng)堆，把核能轉(zhuǎn)化為電能，拉開了以核能為代表的新能源利用的序幕。
想一想：核電站可以把核能轉(zhuǎn)化為電能，核能是怎樣來的呢？
（1）二戰(zhàn)后期，美國在廣島和長崎甩下兩枚原子彈，讓數(shù)十萬日本民眾死亡，幾百萬人無家可歸。原子彈摧枯拉朽的破壞力，將眾多建筑物夷為平地，城市變成一片廢墟；在這場災(zāi)難中，只有少部分人幸存下來，大部分要么被沖擊波殺害，要么被核輻射殺害，對身體的影響超乎想象。
想一想：原子彈為什么會突然放出那么大的能量？
1964年10月16日15時，我國第一顆原子彈爆炸成功。1967年6月17日上午8時20分，在我國西部地區(qū)新疆羅布泊上空，我國第一顆氫彈爆炸試驗成功。
（2）我國研制的第一顆原子彈、氫彈
你知道氫彈和原子彈的原理相同嗎？今天我們一起了解有關(guān)知識。
1. 原子模型的建立過程我們知道，分子是由原子組成的，那么，原子是由什么組成的呢？ 讓我們看看物理學(xué)家研究的歷史與結(jié)論吧！
（1）電子的發(fā)現(xiàn)十九世紀末（1897年），英國物理學(xué)家湯姆生在對陰極射線的研究中發(fā)現(xiàn)了帶負電的電子，并得出電子是所有物質(zhì)中原子的組成部分。由于電子是帶負電的，而原子又是中性的，因此物理學(xué)家推斷出原子中還有帶正電的物質(zhì)。
（2）原子核的發(fā)現(xiàn)——α粒子散射實驗英國物理學(xué)家盧瑟福在1898年發(fā)現(xiàn)了α射線。他用準直的α射線轟擊厚度為微米的金箔時，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)粒子散射角度很小，但有少數(shù)α粒子偏角很大。通過對電荷，質(zhì)量和偏轉(zhuǎn)角度等的運算，1911年提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型。即原子是由原子核和核外電子組成的。
（3）原子的“電子云模型”1926年奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤提出“電子云模型”。該模型中， 電子在原子核外很小的空間內(nèi)做高速運動，其運行沒有固定的規(guī)律，電子分層排布，接近現(xiàn)代人類對原子結(jié)構(gòu)的認識。
2. 原子核原子核還能再分嗎？隨著歷史的發(fā)展，人們對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究逐步深入。
（1）質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1919年，盧瑟福用速度是20000km/s的α粒子去轟擊氮、氟、鉀等元素的原子核時，發(fā)現(xiàn)在原子核中還存在一種帶正電的質(zhì)量比電子大很多的微?！|(zhì)子。
（2）中子的發(fā)現(xiàn)中子的概念是由英國物理學(xué)家盧瑟福提出，中子的存在是1932年英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克用鐳的α-射線轟擊鈹原子時的實驗中證實的。物理學(xué)家在實驗中又進一步發(fā)現(xiàn)中子的質(zhì)量與質(zhì)子相同、但是不帶電。
原子核（atmic nucleus），簡稱“核”，位于原子的核心部分，由質(zhì)子和中子兩種微粒構(gòu)成。原子核帶正電（即質(zhì)子所帶的正電），中子不帶電。
3. 原子的組成及帶電情況
原子與原子核的大小比較形象來說，就是地球和乒乓球的比例，大約一比一千億。
原子核極小，它的直徑在10-16m～10-14m之間，體積只占原于體積的幾千億分之一，在這極小的原子核里卻集中了99.95％以上原子的質(zhì)量。
4. 核能（1）核能：質(zhì)量較大的原子核發(fā)生分裂或者質(zhì)量較小的原子核相互結(jié)合，就有可能釋放出驚人的能量，這就是核能。（2）釋放核能的方式：核裂變和核聚變。
【例題1】物質(zhì)是由分子或原子組成的，______ 的發(fā)現(xiàn)，說明原子是可以再分的；原子是由原子核和核外_____ 組成的，原子核由質(zhì)子和______ 組成。如圖所示，是不同科學(xué)家提出的原子模型，其中 _____（選填“A”或“B”）是盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型。
物質(zhì)是由分子或原子組成的，電子的發(fā)現(xiàn)，說明原子是可以再分的。原子是由帶正電的原子核和帶負電的核外電子組成的，原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型為B。
（1）裂變：1934至1938年，科學(xué)家先后用中子轟擊質(zhì)量比較大的鈾235原子核，使其發(fā)生裂變，發(fā)現(xiàn)一個核分裂成兩個質(zhì)量中等大小的原子核，同時釋放出大量的能量。奇妙的是，鈾235核在分裂成兩個別的原子核的時候，又放出2至3個中子。
（2）裂變的能量巨大1kg鈾全部裂變，釋放的能量超過2000t 煤完全燃燒時釋放的能量。（3）發(fā)生裂變的條件發(fā)生裂變的條件是用中子轟擊鈾核。
當外界中子停止轟擊鈾核時，裂變也就停止了。怎樣才能讓裂變繼續(xù)下去呢？
（1）模擬鏈式反應(yīng)將火柴搭成下圖所示結(jié)構(gòu)，點燃第一根火柴后，會發(fā)生什么？
第一根火柴燒完后，會點燃中間的2根火柴， 這2根火柴燃燒完后，又會引起右面4根火柴的燃燒，如果按照這個結(jié)構(gòu)繼續(xù)下去，被點燃的火柴會越來越多… …
當中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，釋放大量核能的同時產(chǎn)生出幾個新的中子，這些中子又會轟擊其他鈾核……于是就導(dǎo)致一系列鈾核持續(xù)裂變，并釋放出大量核能。這就是裂變中的鏈式反應(yīng)。
視頻欣賞——《核裂變和鏈式反應(yīng)》
（1）核電站核電站利用裂變產(chǎn)生的核能發(fā)電，它的核心設(shè)備是核反應(yīng)堆。1942年，人類利用核反應(yīng)堆第一次實現(xiàn)了可控制的鈾核裂變。①核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆是原子核發(fā)生鏈式反應(yīng)的場所，它能夠控制鏈式反應(yīng)的速度，緩慢、平穩(wěn)地釋放核能的裝置。
②核電站的工作原理及能量轉(zhuǎn)化核電站將反應(yīng)堆中放出的核能轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽的內(nèi)能，通過汽輪機轉(zhuǎn)化為機械能，再通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，核電站發(fā)電時的能量轉(zhuǎn)化情況：核能→內(nèi)能→機械能→電能。
視頻欣賞——《核電站的原理》
③我國的一些核電站下圖是我國自主設(shè)計、制造的具有世界先進水平的核電站.
鏈式反應(yīng)如果不加以控制，大量原子核就在一瞬間發(fā)生裂變，釋放出極大的能量。根據(jù)這一原理，在人類實現(xiàn)可控核裂變大約三年后，即1945年，利用不加控制的核裂變制造的毀滅性武器——原子彈爆炸了。
【例題2】如圖是我國的大亞灣核電站，是利用核能來大規(guī)模生產(chǎn)電能的發(fā)電站。關(guān)于核能和核電站，下列相關(guān)說法中正確的是（　　）A．核能是可再生能源B．核能不會對人類造成危害C．核電站是利用裂變的鏈式反應(yīng)發(fā)電的D．核電站發(fā)電時，把核能直接轉(zhuǎn)化為電能
A．核能消耗后不可能在短期內(nèi)從自然界得到補充的能源，其屬于不可再生能源，故A錯誤；B．核裂變的材料有很強的放射性，使用不當會對人類造成危害，故B錯誤；C．核電站是利用裂變的鏈式反應(yīng)發(fā)電的，故C正確；D．核電站發(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)化為核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，機械能轉(zhuǎn)化為電能，故D錯誤。故選C。
1. 聚變（1）如果將某些質(zhì)量很小的原子核，例如氘核（由一個質(zhì)子和一個中子構(gòu)成）與氚核（由一個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成），在超高溫下結(jié)合成新的原子核——氦核，也會釋放出巨大的核能，這就是聚變，也稱為熱核反應(yīng)。
2. 氫彈氘核和氚核都屬于氫核的一種。大量氫核的聚變，可以在瞬間釋放驚人的能量。氫彈利用的就是聚變瞬間釋放的能量。
3. 海水中的核能如何實現(xiàn)可控聚變，如何利用可控聚變釋放的核能，科學(xué)家正在積極地探索著。海水中蘊藏著豐富的、可以實現(xiàn)聚變的氘核?？茖W(xué)家預(yù)言，通過可控聚變來利用核能，有望徹底解決人類能源問題。1升海水所含氘產(chǎn)生的聚變能等同于300升汽油所釋放的能量。海水中氘的儲量可使人類使用幾十億年。
4. 裂變與聚變的比較
質(zhì)量較大的原子核分裂為較小原子核的過程
用一定速度的中子轟擊較大原子核
質(zhì)量很小的原子核結(jié)合成較大原子核的過程
【例題3】原子核分裂或聚合，可以釋放出巨大的能量，這種能量叫作________。用中子轟擊比較大的原子核，使其變成兩個中等大小的原子核，同時釋放出巨大的能量，這是原子核的________。兩個質(zhì)量很小的原子核，在一定條件下結(jié)合成一個新的原子核，會釋放出更大的核能，這就是原子核的_______，氫彈就是利用這種變化制成的.
原子核分裂或聚合時釋放的能量叫作核能，原子核分裂叫作裂變，原子核聚合叫作聚變.
核電站和核廢料處理核反應(yīng)堆是通過可控裂變反應(yīng)釋放核能的設(shè)備。反應(yīng)堆內(nèi)的鈾核發(fā)生裂變時，會釋放能量，也會產(chǎn)生放射線。如果放射線泄漏到反應(yīng)堆外面，會對人和其他生物造成傷害，所以核反應(yīng)堆都封閉在一個厚厚的鋼筋混凝土殼中。
（1）核泄漏的危害核電站一旦發(fā)生核泄漏事故，就可能產(chǎn)生嚴重的危害，所以核電站的安全性應(yīng)得到高度重視。為此，科學(xué)家們制訂了嚴格的安全措施和安全標準。
切爾諾貝利核電站事故于1986年4月26日發(fā)生在烏克蘭境內(nèi)的普里皮亞季市，核反應(yīng)堆全部炸毀，大量放射性物質(zhì)泄漏，成為核電時代以來最大的事故。事故后有31余人當場死亡，200多人受到嚴重的放射性輻射，之后15年內(nèi)有6-8萬人死亡，13.4萬人遭受各種程度的輻射疾病折磨，方圓30公里地區(qū)的11.5萬多民眾被迫疏散。
（2）科學(xué)家們制定了嚴格的安全措施和安全標準 以秦山核電站為例，它有三道屏障，用于防止放射性物質(zhì)的外泄。第一道屏障是鋯-4合金包殼，它把核燃料及其裂變產(chǎn)物封閉起來。第二道屏障是壁厚為175mm鋼板制成的反應(yīng)堆壓力容器及相應(yīng)的管道設(shè)施，它把反應(yīng)堆冷卻劑包容在里面，防止有放射性的冷卻劑外泄。
第三道屏障是反應(yīng)堆安全殼，它是高72.5m、外徑38m、厚1米的鋼筋混凝土制成的圓柱形建筑，內(nèi)襯6mm的鋼板。安全殼也能抵御外部破壞。
（3）核廢料的處理核電站使用過的核燃料成為核廢料。由于核廢料仍具有放射性，對環(huán)境會造成相當大的危害，因此要將核廢料深埋到人跡稀少的沙漠地帶。
原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子組成.質(zhì)量較大的原子核發(fā)生分裂或者質(zhì)量較小的原子核相互結(jié)合，就可能釋放出驚人的能量，這種能量被稱為核能.①質(zhì)量較大的原子變成兩個質(zhì)量中等大小的原子核的過程.②使很多個鈾核在極短的時間內(nèi)相繼裂變，叫鏈式反應(yīng).③應(yīng)用：核電站（可控制）、原子彈（不可控制）①質(zhì)量較小的原子核在超高溫下結(jié)合成新的原子核的過程.②釋放出更加巨大的能量。應(yīng)用：氫彈。①核反應(yīng)堆：控制核裂變反應(yīng)的中子數(shù)量，使鏈式 反應(yīng)連續(xù)、緩慢地進行，核能得以平穩(wěn)釋放.②防護措施：防止核泄漏；處理核廢料.③能量轉(zhuǎn)化：核能→內(nèi)能→機械能→電能
1. 原子、原子核、電子、中子、質(zhì)子，它們之間有什么關(guān)系？哪些是不帶電的？哪些是帶電的？帶的是哪種電？
原子是由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成。中子不帶電，電子帶負電，質(zhì)子帶正電，原子核帶正電。
2. 原子和原子核的尺寸究竟有多大？研究表明，若把它們都看成一個球體，原子半徑的數(shù)量級為10?10 m，原子核半徑的數(shù)量級為10?15 m。打個比方，如果原子的大小跟北京奧運會“鳥巢”體育場一樣大，那么原子核該有多大？是相當于籃球、壘球、乒乓球？或者是蠶豆、還是綠豆？
綠豆.“鳥巢”體育場南北約為333m，設(shè)原子為體育場大小，原子核直徑為R，則有：333m/R= 10?10 m/ 10?15 m則R=3.33×10-3m=3.33mm，所以原子核大小相當于綠豆大小。
3. 核反應(yīng)堆和原子彈都是釋放核能的裝置，它們釋放核能的過程有什么相同？有什么不同？
核反應(yīng)堆和原子彈在釋放核能的過程中的相同點是都利用了原子核裂變釋放的核能；不同點是核反應(yīng)堆利用的是可控的鏈式反應(yīng)，而原子彈利用的是不可控的鏈式反應(yīng)。
4. 什么是原子核的聚變？人類關(guān)于核聚變的應(yīng)用已經(jīng)取得的成就是什么？還有什么問題急需解決？
將某些質(zhì)量很小的原子核，在超高溫下結(jié)合成新的原子核，同時釋放出巨大的核能，這就是聚變，聚變也稱為熱核反應(yīng)。人類關(guān)于核聚變的應(yīng)用已取得的成就：氫彈是人類利用聚變制造的一種核武器。急需解決的問題：如何實現(xiàn)可控的聚變反應(yīng)獲取核能。
5. 以下是核電站工作情況的方框圖，請在空白的方框內(nèi)填寫裝置的種類，并在下面的括弧內(nèi)填寫這種裝置中發(fā)生了怎樣的能量轉(zhuǎn)化。
核反應(yīng)堆將核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，產(chǎn)生大量水蒸氣，水蒸氣推動汽輪機轉(zhuǎn)動，將水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽輪機轉(zhuǎn)動的機械能。汽輪機轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，將機器轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)化為電能。
1. 下列關(guān)于核能的說法正確的是（ ）A. 物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子中有原子核，所以利用任何物質(zhì)都能得到核能B. 到目前為止，人類獲得核能有兩種途徑，即重核裂變和輕核聚變C. 原子彈和氫彈都是利用原子核裂變的原理制成的D. 自然界只有在人為的條件下才能發(fā)生聚變
核能是人們在近幾十年里發(fā)現(xiàn)和利用的新能源。雖然各種物質(zhì)都有原子核，但在通常情況下并不能釋放能量，只有當原子核發(fā)生裂變或聚變時才伴隨巨大的能量釋放。原子彈是利用裂變的鏈式反應(yīng)能在極短的時間內(nèi)釋放出巨大能量的原理制成的，而氫彈則是利用氫核的聚變制成的。自然界除人為的聚變外，太陽和許多恒星內(nèi)部都在不停地進行著大規(guī)模的聚變反應(yīng)，并以光和熱的形式將核能輻射出來。故B對。
2. 關(guān)于核電站，下列說法正確的是（ ）A. 核電站所使用的核燃料是煤和石油B. 核電站核反應(yīng)堆中發(fā)生的是可以控制的核裂變C. 核電站發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化過程：核能→內(nèi)能→電能→機械能D. 核電站產(chǎn)生的核廢料可以作為生活垃圾來處理
A. 核電站使用的核燃料是濃縮鈾而不是煤和石油，A錯；B. 核反應(yīng)堆是核電站的核心設(shè)備，它是根據(jù)原子核裂變反應(yīng)的特點設(shè)計制造的，能控制核裂變的速度，是使核能比較平穩(wěn)地釋放出來的裝置，B對；C. 核電站的工作過程大致為:反應(yīng)堆中鈾核裂變的核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能傳遞給水，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽驅(qū)動汽輪機轉(zhuǎn)動，把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，再由汽輪機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。故能量轉(zhuǎn)化過程:核能→內(nèi)能→機械能→電能，C錯；D. 核電站產(chǎn)生的核廢料具有放射性，一般深埋在人煙稀少的地方，不可以作為生活垃圾來處理，D錯。
3. 如圖是我國目前能源使用比例圖．其中核能是我國正在大力開發(fā)和利用的一種有前途的能源，下列說法正確的是（ ）A．核電站利用核能發(fā)電，將核能轉(zhuǎn)化為電能B．現(xiàn)在的核電站是利用聚變反應(yīng)來產(chǎn)生電能C．核能是我國目前消耗的主要能源D．核電站產(chǎn)生的核廢料對環(huán)境不會造成污染
核電站主要是利用核裂變進行發(fā)電的，是將核能轉(zhuǎn)化為電能的過程，A正確，B錯誤；化石能源是我國當今主要的能源，C錯誤；核電站產(chǎn)生的核廢料會對環(huán)境造成污染，D錯誤．
4. 2011年3月11日，日本東北部海域發(fā)生的海底大地震導(dǎo)致福島第一核電站二號機組受損，引發(fā)了較為嚴重的核泄漏，核電安全再次成為各國高度關(guān)注的問題。關(guān)于核能開發(fā)的說法中，你認為正確的是（ ） A. 停止開發(fā)核能，因為開發(fā)核能會帶來可怕的核泄漏，弊遠大于利B. 核能是一種穩(wěn)定、高效、清潔的可再生能源，是其他新能源不可能替代的C. 福島第一核電站開發(fā)核能是利用可控核裂變過程中釋放的核能D. 核能開發(fā)是絕對安全的，即使有核泄漏也是清潔、無污染的
A．核泄漏造成的核輻射會使周邊環(huán)境嚴重污染，但合理開發(fā)核能能解決人類能源危機，故A錯誤；B．核能是一種相對較為清潔的能源，是不可再生能源，故B錯誤；C．核電站是利用原子核裂變發(fā)生鏈式反應(yīng)時釋放的大量能量來發(fā)電的，是可控制的，故C正確；D．核能開發(fā)不是絕對安全的，核輻射污染、核廢料污染是極為嚴重的，故D錯誤。
5．2021年1月30日，全球第一臺“華龍一號"核電機組——中核集團福建福清核電5號機組投入商業(yè)運行。下列說法正確的是（　?。〢．核燃料發(fā)電后產(chǎn)生的廢棄物可以按照一般垃圾處理B．核電站中的能量轉(zhuǎn)化是將核能最終轉(zhuǎn)化為電能C．核電站是利用核聚變釋放能量來發(fā)電D．通過改進科學(xué)技術(shù)，可以讓核電站的能源轉(zhuǎn)化的效率達100%
A．核燃料發(fā)電產(chǎn)生的廢棄物具有放射性，不可按照一般垃圾處理，A錯誤；B．核電站中的能量轉(zhuǎn)化是將核能釋放出來，最終轉(zhuǎn)化為電能，故B正確；C．核電站是利用核裂變釋放能量來發(fā)電，故C錯誤；D．通過改進科學(xué)技術(shù)，可以提高能量的利用率，但效率不可能達100%，故D錯誤。
6．圖是核能發(fā)電原理圖，下列說法正確的是（ ）A．核能是可再生能源 B．核反應(yīng)堆將核能轉(zhuǎn)化為電能C．汽輪機將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能 D．發(fā)電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能
A. 核能不是可再生能源，A錯誤；B. 核反應(yīng)堆將核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，B錯誤；C. 汽輪機將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，C正確；D. 發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能D錯誤．
7． 如圖所示，中國“人造太陽”——大型核實驗裝置“東方超環(huán)”（EAST）取得重大突破，創(chuàng)造世界新紀錄，在上億度的高溫狀態(tài)下，物質(zhì)呈現(xiàn)等離子態(tài)，它們可以被磁場約束?！皷|方超環(huán)”的反應(yīng)原理與太陽類似，通過______ （填“裂變”或“聚變”）釋放巨大的核能，原子核能又轉(zhuǎn)化為______，從而獲得上億度的高溫。
東方超環(huán)的反應(yīng)原理與太陽類似，通過核聚變釋放巨大的核能，此過程中能量轉(zhuǎn)化是核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
（1）核電站是利用______能來發(fā)電的，其能量是原子核發(fā)生了核_______（選填“裂變”或“聚變”）；（2）由于一系列的爆炸，使得大量的核燃料外泄，周圍的人們處在核污染當中．圖乙中是核輻射標志的是_______；（3）為了給處于高溫中的核反應(yīng)堆外殼降溫，消防員通過噴水的方法來有效降溫，這是用________的方法來改變內(nèi)能的；
8．2011年3月，日本發(fā)生了強烈地震并引發(fā)了海嘯，對福島核電站造成了很大的破壞，如圖甲所示．
（1）核電站是利用核能來發(fā)電的，把核能轉(zhuǎn)化為電能；由于核裂變是可控的，核電站是利用鈾原子核裂變時放出的核能來發(fā)電的．（2）圖中表示核輻射標志的是C.（3）為了給處于高溫中的核反應(yīng)堆外殼降溫，消防員通過噴水的方法來有效降溫，故讓冷水從反應(yīng)堆上吸取熱量，所以是通過熱傳遞改變內(nèi)能的．

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初中物理人教版（2024）九年級全冊電子課本

第2節(jié) 核能

版本： 人教版（2024）

年級： 九年級全冊

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