教科版高中物理选择性必修第二册第四章电磁振荡与电磁波第2节电磁波第3节电磁波谱课件(51页PPT)

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[学习目标]
1.了解麦克斯韦电磁理论的主要观点，知道电磁场的概念及产生的原理。
2.体验赫兹证明电磁波存在的实验过程及方法，领会物理实验对物理学发展的基础意义。
3.认识电磁波谱，知道电磁波谱中各种电磁波的排列顺序，了解不同波长电磁波的特征及主要用途。
1.麦克斯韦电磁理论的两个基本假设
(1)变化的磁场能够在周围空间产生____，称为________，如图甲。
(2)变化的电场能够在周围空间产生磁场，如图乙。
电场
感应电场
2.电磁场
变化的电场和变化的磁场交替产生，形成不可分割的统一体，称为______。
电磁场
[易错辨析]
(1)变化的电场一定产生变化的磁场。( )
(2)磁场随时间变化越快，产生的电场越强；电场随时间变化越快，产生的磁场越强。( )
(3)只要有电场和磁场，就能产生电磁波。( )
×
√
×
[例1]　根据麦克斯韦电磁理论，下列说法正确的是(　　)
A.变化的磁场一定产生变化的电场
B.均匀变化的磁场一定产生均匀变化的电场
C.稳定的电场一定产生稳定的磁场
D.并不是只要空间有变化的电场或磁场，就一定能够产生电磁波
解析　变化的磁场一定产生电场，但均匀变化的磁场产生恒定的电场，A、B错误；稳定的电场不能产生磁场，变化的电场产生磁场，C错误；均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，恒定的磁场周围不会产生电场，不能产生电磁波，D正确。
D
[例2]　(多选)应用麦克斯韦电磁理论判断下列表示电场产生磁场(或磁场产生电场)的关系图像中(每个选项中的上图是表示变化的场，下图是表示变化的场产生的另外的场)正确的是(　　)
BC
解析　A图中的上图磁场是恒定的，由麦克斯韦电磁理论可知，其周围空间不会产生电场，错误；B图中的上图是均匀变化的电场，应该产生恒定的磁场，下图的磁场是恒定的，正确；C图中的上图是周期性变化的磁场，它能产生同频率周期性变化的电场，当磁感应强度的变化率最大时，感应电场最强，正确；D图的上图是周期性变化的电场，在其周围空间产生周期性变化的磁场，当电场强度的变化率最大时，则感应磁场应最强，错误。
[总结提升]
对麦克斯韦电磁理论的理解
1.电磁波的产生：由变化的电场和磁场交替产生而形成的电磁场由近及远传播。这种变化的电磁场在空间中的传播形成了______，如图所示。
电磁波
2.电磁波的特点
(1)电磁波是电磁场的传播，传播过程______介质，在真空中的波速等于光速c，c＝3×108 m/s。
(2)电磁波是____，电场和磁场方向都与传播方向____。
不需要
横波
垂直
(3)电磁波在传播过程中____不变，始终与振荡电路的频率相同，它由波源决定，与介质无关。
(4)电磁波具有波的共性，能产生____、____、反射、折射和偏振等现象，电磁波也是传播能量的一种形式。
频率
(6)____ 通过实验证明了电磁波的存在。
(5)电磁波的波速、波长、频率之间的关系：__________。
干涉
衍射
赫兹
3.麦克斯韦电磁理论在物理学发展史上的意义
(1)麦克斯韦在两个基本假设的基础上，建立了电磁场方程，预言了______的存在，把电磁学发展成为完整的、优美的理论体系，统一了人们对电磁和光现象的认识，为电和磁的利用奠定了理论基础，为深入研究物质的电磁结构及客观性质提供了理论工具。
(2)从麦克斯韦开始，人们认识到场是物质存在的一种基本形式，它是客观存在的，这大大扩展了人们对自然界的认识和对整个自然科学的视野。
(3)麦克斯韦理论中的一个重要结论是光在真空中的速率是一个常量，与参考系无关。爱因斯坦根据这一结论提出了光速不变原理，建立了狭义相对论。狭义相对论与量子理论一起开创了现代物理学的新纪元。
电磁波
[思考探究]
(1)电磁波的传播是否需要介质？为什么？
(2)在同一介质中传播的电磁波，频率和波速分别与哪些因素有关？
提示　(1)电磁波的传播不需要介质。电磁波是相互激发的电场和磁场的传播，因此不需要介质。
(2)在同一介质中，不同的电磁波频率不同，波速不同，频率由电磁波本身决定，波速由电磁波和介质共同决定。
[例3]　(2025·广元市高二期中)(多选)如图所示是我国500 m口
径球面射电望远镜(FAST)，它可以通过接收来自宇宙深处的
电磁波探索宇宙。下列关于电磁波的说法正确的是(　　)
A.频率越高的电磁波，波长越长
B.电磁波在任何介质中的传播速度均为3×108 m/s
C.赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁理论
D.不均匀变化的电场激发变化的磁场，空间将产生电磁波
CD
解析　根据电磁波的波速公式c＝λf可知，频率越高的电磁波，波长越短，故A错误；电磁波只有在真空中传播速度才是3×108 m/s，故B错误；赫兹通过实验捕捉到电磁波，证实了麦克斯韦的电磁理论，故C正确；根据麦克斯韦的电磁理论可知不均匀变化的电场激发变化的磁场，空间会产生电磁波，故D正确。
[例4]　(2025·遂宁市高二期末)关于机械波与电磁波，以下说法正确的是(　　)
A.机械波与电磁波的传播速度都只与介质种类有关
B.无论是机械波还是电磁波，只有当障碍物或孔的尺寸跟波的波长相等时，才能发生衍射
C.赫兹从理论上预言了电磁波的存在，麦克斯韦观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，麦克斯韦还测得电磁波在真空中具有与光相同的传播速度
D.机械波可能是横波，也可能是纵波，而电磁波都是横波
D
解析　机械波的波速只与介质有关，而电磁波在介质中的波速与介质和频率都有关系，故A错误；无论是机械波还是电磁波，当障碍物或孔的尺寸跟波的波长相差不多时，就能够观察到明显的衍射现象，故B错误；麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，赫兹还测得电磁波在真空中具有与光相同的传播速度，故C错误；机械波可能是横波，也可能是纵波，而电磁波能够发生偏振现象，电磁波都是横波，故D正确。
[总结提升]
1.机械波和电磁波都具有波的性质，都能发生反射、折射、衍射和干涉。
2.机械波依赖介质，波速由介质决定，电磁波不依赖介质，波速既与频率有关也与介质有关。
3.电磁波是横波，而机械波既有横波也有纵波。
1.把电磁波按____或____排列起来，就形成了电磁波谱。
2.按波长由大到小的顺序，它们分别是无线电波、______、可见光、______、______和_____，如图所示。电磁波的频率越高，它的波长就越短。
波长
频率
红外线
紫外线
X射线
γ射线
3.不同波段电磁波的特性及应用
1 mm
特征 应用
无线
电波 波长大于_____，按波长从小到大依次划分为微波、短波、中短波、中波、长波 通信、广播、导航及其他信号传输
红外线 波长范围为760～106 nm。不能引起视觉，热效应强。一切物体都在不停地辐射红外线，物体温度越__，其辐射的红外线越强 加热、遥控、遥感
可见光 波长范围为400～760 nm。能作用于眼睛并引起视觉，按波长从长到短排列为：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫 照明、摄影
高
维生素D
特征 应用
紫外线 波长范围在60～400 nm。不能直接引起视觉。具有较高的能量，荧光效应强，有助于人体合成________ 灭菌消毒、荧光灯、防伪标志
X射线 波长范围为10-2～10 nm，穿透能力很__ 医学透视、检查；工业上可用于检查工件内部是否有砂眼、裂纹等缺陷
γ射线 波长范围为10-7～10-2 nm。来自宇宙射线或某些放射性元素衰变的过程，能量高，穿透能力比X射线更__ 工业探伤；医学治疗(γ刀)
强
强
[易错辨析]
(1)各种电磁波中最容易发生干涉和衍射现象的是γ射线。( )
(2)红外线有显著的热效应，紫外线具有较高的能量。( )
(3)低温物体不能辐射红外线。( )
(4)紫外线在真空中的传播速度大于可见光在真空中的传播速度。( )
(5)可利用红外线的荧光效应辨别人民币的真伪。( )
(6)X射线的穿透本领比γ射线更强。( )
×
√
×
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[例5]　(多选)红外测温门使用了一种传感器，当它感应到有人走近时会自动对人测温，如果体温低于37.3 ℃门会自动打开。下列说法正确的是(　　)
A.当人体温低于37.3 ℃时不会向外辐射红外线
B.人的体温越高，测温门测量时接收到的红外辐射越强
C.该测温门感应到的人体辐射的红外线比可见光的波长短
D.该测温门感应到的人体辐射的红外线比X射线的频率低
解析　当人体温低于37.3 ℃时也会向外辐射红外线，故A错误；温度越高，红外辐射越强，人的体温越高，测温门测量时接收到的红外辐射越强，故B正确；红外线的波长比可见光的长，频率比X射线的频率低，故C错误，D正确。
BD
[例6]　关于生活中遇到的各种电磁波，下列说法正确的是(　　)
A.医院里“CT”机使用的电磁波是γ射线，它具有较强的穿透能力
B.电视机遥控器用紫外线遥控，无线电波频率比体检胸透用的电磁波频率高
C.“浴霸”的取暖灯泡能发出较强的红外线，它具有显著的热效应
D.X射线可以摧毁病变的细胞，常用于治疗各种癌症
解析　医院里“CT”机使用的电磁波是X射线，利用X射线能够穿透物质，来检查人体的内部器官，故A错误；电视机遥控器用的是红外线遥控，体检胸透用的电磁波是X射线，X射线的频率比无线电波高，选项B错误；“浴霸”的取暖灯泡能发出较强的红外线，利用红外线的热效应进行取暖，故C正确；γ射线可以摧毁病变的细胞，常用于治疗各种癌症，故D错误。
C
1.(麦克斯韦电磁理论)如图甲所示，在变化的磁
场中放置一个闭合电路，电路里产生了感应电流；
如图乙所示，空间存在变化的磁场，其周围产生
感应电场，下列说法正确的是(　　)
C
A.甲、乙两图一定能持续产生电磁波
B.对甲图，从上向下看，电子在回路中沿顺时针方向运动
C.闭合电路只是检验变化的磁场能产生电场，即使没有闭合电路，空间仍能产生电场
D.变化的电场周围产生磁场，与闭合电路是否存在有关
解析　若甲、乙两图的磁场均匀变化，就会产生稳定不变的电场，稳定不变的电场不会产生磁场，就不会持续产生电磁波，故A错误；对甲图，从上向下看，感应电流沿顺时针方向，则电子在回路中沿逆时针方向运动，故B错误；变化的磁场周围产生电场是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，甲图的闭合电路只是检验变化的磁场能产生电场，乙图即使没有闭合电路，空间仍能产生电场，故C正确；同理，变化的电场周围产生磁场也是一种普遍存在的现象，与闭合电路是否存在无关，故D错误。
2.(电磁场的图像)下列四图表示原磁场或电场以及可能产生的电场或磁场，根据麦克斯韦电磁理论判断，下列说法正确的是(　　)
D
A.图甲可能产生图丙
B.图乙可能产生图丙
C.图丁可能产生图甲
D.图丙可能产生图乙
解析　均匀变化的磁场产生恒定的电场，均匀变化的电场产生恒定的磁场，恒定的电场不产生磁场，恒定的磁场也不产生电场，因此D正确，A、B、C错误。
3.(电磁波的理解)关于电磁场理论和电磁波，下列说法正确的是(　　)
A.电磁波是纵波
B.电磁波的传播不需要介质
C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场
D.麦克斯韦预言了电磁波的存在，并用实验验证了电磁波的存在
解析　由电磁波产生的原理可知，电磁波是横波，A错误；电磁波的传播不需要介质，B正确；均匀变化的电场产生恒定的磁场，C错误；麦克斯韦提出了电磁理论，预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在，D错误。
B
4.(电磁波谱)电焊作业时，会产生对人体有害的电焊弧光，辐射出大量频率为1.0×1015 Hz 的电磁波。根据如图所示的电磁波谱，判断它属于哪种电磁波(　　)
D
A.微波 B.红外线
C.X射线 D.紫外线
解析　根据c＝λf，解得λ＝3×10-7 m，根据电磁波谱可知，它属于紫外线。故选D。
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[基础巩固练]
1.(2025·福州市高二期中)关于电磁场理论，下列说法正确的是(　　)
A.任何变化的磁场都要在周围空间产生变化的电场，振荡磁场在周围空间产生同频率的振荡电场
B.任何电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
C.任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，振荡电场在周围空间产生同频率的振荡磁场
D.电场和磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场
C
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解析　根据麦克斯韦电磁理论，变化的电场(磁场)产生磁场(电场)，如果电场(磁场)的变化是均匀的，产生的磁场(电场)是恒定的；如果电场(磁场)的变化是不均匀的，产生的磁场(电场)是变化的；振荡电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场)；周期性变化的电场和周期性变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分割的统一体，即电磁场，故选C。
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2.(多选)如图所示，水平桌面上分别有闭合的导体线圈甲和塑料线圈乙，现将接有高频交变电流的线圈分别置于甲和乙的正上方，下列说法正确的是(　　)
AD
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A.线圈在甲上方，甲中产生感应电流
B.线圈在甲上方，甲中不一定存在电场
C.线圈在乙上方，乙中产生感应电流
D.线圈在乙上方，乙中一定存在电场
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解析　接有高频交变电流的线圈会产生变化的磁场，变化的磁场在线圈中激发电场，若在甲的上方，导体中的自由电子会在电场的作用下定向移动产生感应电流，塑料线圈中存在电场，但不会产生电流，A、D正确。
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3.关于电磁波，下列叙述正确的是(　　)
A.电磁波在真空中的传播速度远小于真空中的光速
B.电磁波可以发生衍射现象
C.电磁波和机械波一样依赖于介质传播
D.随着科技的发展，可以实现利用机械波从太空向地球传递信息
解析　电磁波在真空中的传播速度等于真空中的光速，故A错误；电磁波属于波，能够发生衍射、干涉等波特有的现象，故B正确；电磁波能在真空中传播，而机械波依赖于介质传播，不能在真空中传播，故C、D错误。
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4.(多选)关于电磁波，下列说法正确的是(　　)
A.电磁波在真空中的传播速度与频率、能量有关，频率越高、能量越大，传播速度越大
B.当电磁波波源消失后就不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失
C.电磁波不能在真空中传播，且只能传递声音信号，不能传递图像信号
D.香港电视台与南京电视台发射的电磁波的频率不同，但传播速度相同
解析　电磁波在真空中的传播速度是光速，与频率、能量无关，故A错误；一旦电磁波形成了，电磁场就会向外传播，当波源消失后只是不能产生新的电磁波，但已发出的电磁波不会立即消失，故B正确；电磁波传播不需要介质，可在真空中传播，电磁波既能传递声音信号，又能传递图像信号，故C错误；香港电视台与南京电视台发射的电磁波的频率不同，但传播速度相同，故D正确。
BD
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5.“中国天眼”(FAST)位于贵州的大山深处，是500 m口径球面射电望远镜，它通过接收来自宇宙深处的电磁波，探索宇宙。下列关于电磁波的说法正确的是(　　)
A.麦克斯韦认为变化的电场能激发出变化的磁场，但没有介质不能产生电磁波
B.麦克斯韦认为均匀变化的电场能激发出变化的磁场，空间将产生电磁波
C.电磁波从真空进入水中时，频率改变，波速不变
D.电磁波从真空进入水中时，频率不变，波速改变
解析　麦克斯韦认为周期性变化的电场在周围能够引起变化的磁场，变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场，这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波，电磁波的传播不需要介质，而均匀变化的电场只能激发恒定的磁场，不能产生电磁波，故A、B错误；电磁波在不同介质中传播速度不同，频率不会改变，故C错误，D正确。
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6.(多选)使用蓝牙耳机接听手机来电，其信号传输的示意图如图所示，已知可见光的频率范围是4.2×1014～7.8×1014 Hz，则蓝牙通信的电磁波(　　)
BC
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A.是蓝光
B.波长比手机通信的电磁波波长短
C.在真空中的传播速度大小为3.0×108 m/s
D.在真空中的传播速度比可见光传播的速度小
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解析　由题意可得，蓝牙通信的电磁波频率小于可见光频率，故不可能是蓝光，故A错误；由题图可知，蓝牙通信的电磁波比手机通信的电磁波频率大，由c＝λf可知，频率越大，波长越短，故蓝牙通信的电磁波波长比手机通信的电磁波波长短，故B正确；在真空中电磁波(包括可见光)的传播速度大小均为c＝3×108 m/s，故C正确，D错误。
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7.(多选)许多光学现象在科学技术上得到了应用，下列对一些应用的解释正确的是(　　)
A.紫外验钞机是利用紫外线的化学作用
B.X光透视利用的是光的衍射现象
C.工业上的金属探伤利用的是γ射线具有极强的穿透能力
D.红外遥感技术利用了一切物体都在不停地辐射红外线的特点
解析　紫外验钞机是利用紫外线照射印刷在钞票上的荧光文字，发出可见光，使这些文字能被肉眼看到，利用了紫外线的荧光效应，A项错误；X射线具有较强的穿透能力，在医学上用它来透视人体，检查病变和骨折情况，B项错误；γ射线具有极强的穿透能力，工业上的金属探伤就是利用这个原理，C项正确；一切物体都在不停地辐射红外线，红外遥感技术就是利用这个原理，D项正确。
CD
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8.(2025·桂林市高二期末)中国6G技术专利数量全球遥遥领先。6G通讯采用比5G频段(109 Hz)高出很多的太赫兹频段(1011～1013 Hz)电磁波传播数据，传输能力比5G提升100倍。与5G频段电磁波相比，6G频段电磁波(　　)
A.传播时的波长长
B.真空中传播的速度大
C.容易绕过高楼等障碍物
D.容易与微粒作用出现散射现象
解析　6G信号的频率大于5G信号的频率，根据c＝λf可知，6G信号的波长比5G信号的波长更短，A错误；6G信号和5G信号在真空中传播的速度相同，B错误；6G信号比5G信号的频率高，则6G信号比5G信号波长短，6G信号比5G信号更不容易绕过障碍物，C错误；由于6G信号比5G信号频率高，6G信号比5G信号更容易与微粒作用出现散射现象，D正确。
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[能力提升练]
9.(多选)关于电磁波与声波的比较，下列说法正确的是(　　)
A.电磁波的传播不需要介质，声波的传播需要介质
B.由空气进入玻璃时，电磁波速度变小，声波速度变大
C.由空气进入玻璃时，电磁波波长变短，声波波长变长
D.电磁波和声波在介质中的传播速度都是由介质决定的，与频率无关
解析　选项A、B说法均与事实相符，正确；由空气进入玻璃时，根据λ＝，电磁波波速变小，频率不变，波长变短；声波速度变大，频率不变，波长变长，故选项C正确；电磁波在介质中的传播速度与介质有关，也与频率有关，故选项D错误。
ABC
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10.如图所示，球形容器中盛有含碘的二硫化碳溶液，在太阳光的
照射下，地面呈现的是圆形黑影，在黑影中放一支温度计，可发
现温度计显示的温度明显上升，则由此可断定(　　)
A.含碘的二硫化碳溶液对于可见光是透明的
B.含碘的二硫化碳溶液对于紫外线是不透明的
C.含碘的二硫化碳溶液对于红外线是透明的
D.含碘的二硫化碳溶液对于红外线是不透明的
C
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解析　紫外线具有荧光效应，红外线热效应明显，可见光有视觉感应。地面呈现的是圆形黑影，说明含碘的二硫化碳溶液对于可见光是不透明的；温度计显示的温度明显上升，红外线热效应明显，故说明含碘的二硫化碳溶液对于红外线是透明的，C项正确。
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11.地面阳光的成分包括44%的可见光、53%的红外线和3%的紫外线。在大气层之外，阳光中含有10%的紫外线，大多数的紫外线被大气阻挡住而无法到达地表。下列说法正确的是(　　)
A.红外线的频率比可见光大
B.紫外线的波长比可见光长
C.红外线的衍射能力比紫外线弱
D.红外线和紫外线在真空中的传播速度相同
解析　根据电磁波谱的波长顺序可知，红外线的波长大于可见光的波长、大于紫外线的波长，所以紫外线的频率大于可见光的频率、大于红外线的频率，A、B错误；光的波长越长，衍射能力越强，红外线波长大于紫外线波长，所以红外线的衍射能力更强，C错误；红外线和紫外线都是电磁波，它们在真空中的传播速度相同，D正确。
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12.雷达测距防撞控制系统是利用脉冲电磁波来测定目标的
位置和速度的设备，某机场引导雷达发现一架飞机正向雷
达正上方匀速飞来，已知该雷达显示屏上相邻刻度线之间
的时间间隔为1.0×10-4 s，某时刻雷达显示屏上显示的波形
如图甲所示，A脉冲为发射波，B脉冲为目标反射波，经t0＝170 s后雷达向正上方发射和被反射的波形如图乙所示，已知光速c＝3×108 m/s，则该飞机速度大小约为多少？
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答案　306 m/s
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[拓展培优练]
13.大功率微波对人和其他生物有一定的杀伤作用。实验表明，当人体单位面积接收的微波功率达到250 W/m2时会引起神经混乱，达到1 000 W/m2时会引起心肺功能衰竭。现有一微波武器，其发射功率P＝3×107 W。若发射的微波可视为球面波，则引起神经混乱和心肺功能衰竭的有效攻击的最远距离约为(　　)
A.100 m　25 m B.100 m　50 m
C.200 m　100 m D.200 m　50 m
B
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