(共29张PPT)
第七章
万有引力与宇宙航行
第5节
相对论时空观与牛顿力学的局限性
1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.
2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性.
3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的
学习目标
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1
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2
目录
/CONTENTS
相对论时空观
牛顿力学的成就与局限性
新课引入
思考：若河中的水以相对于岸的速度
v水岸
流动，河中的船以相对于水的速度
v船水
顺流而下，则船相对于岸的速度v船岸如何表示？
v船岸=v船水+v水岸
v船岸=v船水+v水岸这类表达式，又被称为伽利略变换，是牛顿力学，研究相对运动问题的基本原理之一。
新课引入
设想：设想人类可以利用飞船以
0.2c
的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，根据v光船=v光+v船该星球上的观察者测量到的激光的速度是否为1.2c，事实是这样吗？
然而，事实并非如此。
1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度两者不相符。
1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！
这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！
新课引入
阿尔伯特·迈克尔逊（1852—1931）
一、相对论时空观
描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。
惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系
非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系
00惯性系与非惯性系
所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。
一、相对论时空观
1、绝对时空观
生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
一、相对论时空观
2.牛顿力学与电磁理论的冲突
十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？但在迈克尔逊和莫雷实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。但是都没有成功，这导致牛顿力学与电磁理论的冲突。
你觉得该如何解释这个现象呢？
一、相对论时空观
2.牛顿力学与电磁理论的冲突
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
儒勒·庞加莱（法）
（1854-1912）
阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）
一、相对论时空观
3.相对论的两个基本假设
（1）相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的。
（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中，大小都是相同的。
这两个假设看起来平淡无奇，但如果接受了这两个假设的观点，并用它来分析问题，可能会在我们的头脑中引起一场轩然大波！
阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）
4．相对论时空观的内容
认为时间和空间是相互联系、相互影响的，并且与物质的存在及运
动有关。
一、相对论时空观
例如：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。
（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。
（2）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
一、相对论时空观
对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。因此，这两个事件不是同时发生的。
同时性是相对的
一、相对论时空观
5、时间延缓效应
如果相当于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则
Δt=
_____________
Δτ
1-
（1）
由于
1－
<
1，所以总有
Δt
>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。
一、相对论时空观
如果与杆相对静止的人测得杆长是
l0
，沿着杆的方向，以
v
相对杆运动的人测得杆长是
l，那么两者之间的关系是
l
=
l0
1-
（2）
由于1－
<
1，所以总有
l
<
l0，此种情况称为长度收缩效应。
6、长度收缩效应
一、相对论时空观
有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
【分析】若选μ子为参考系，μ子的平均寿命为t1=3.0μs；若以地面为参考系，μ子的平均寿命为：t2
一、相对论时空观
事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？
原来，由于时间延缓效应，对于地面观察者看来，μ子的平均寿命，已不是3.0μs了，而是约为21μs，在这段时间内，μ子可以飞行更远的距离，更多的μ子都能飞越8km的距离到达地面。因此，实际观察到μ子个数多于用牛顿经典理论计算的数值。
二、牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学的成就
(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来。
(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等。
(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命。
(4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础。
二、牛顿力学的成就与局限性
2.牛顿力学的局限性
在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。
(1)经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力学常常就不适用了。
(2)绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关。
二、牛顿力学的成就与局限性
3.正确理解绝对时空观
(1)时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的。
②经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任何其他外界事物无关，空间就其本质而言与外界任何事物无关，它从不运动，并且永远不变。
二、牛顿力学的成就与局限性
①同时的绝对性
在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关。
②时间间隔的绝对性
任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运动无关。
③空间距离的绝对性
如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系的选择(或观察者的运动状态)无关。
4.由绝对时空观得到的结论
二、牛顿力学的成就与局限性
5.经典力学有它的适用范围
只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。
低速和高速的区别：
(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。
(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。
课堂小结
牛顿力学在宏观、低速、弱引力的广阔领域取得了巨大的成功
只适用于低速运动，不适用于高速运动
只适用于宏观世界，不适用于微观世界
只适用于弱引力，不适用于强引力。
一、相对论时空观
二、牛顿力学的成就与局限性
（1）时间延缓效应
（2）长度收缩效应
相对论时空观与牛顿力学的局限性
课堂检测
1、下列运动中不能用经典力学规律描述的是（ ）
A．子弹的飞行
B．粒子接近光速的运动
C．人造卫星绕地球运动
D．和谐号从南通向上海飞驰
B
课堂检测
B
2、一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是（ ）
A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
课堂检测
C
3、经典力学有一定的局限性。当物体以下列速度运动时，经典力学不再适用的是（ ）
A．
B．
C．
D．
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《7.5
相对论时空观与牛顿力学的局限性》学案
【学习目标】
1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应.
2.认识牛顿力学的成就、适用范围及局限性.
3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的
【课堂合作探究】
思考：若河中的水以相对于岸的速度
v水岸
流动，河中的船以相对于水的速度
v船水
顺流而下，则船相对于岸的速度v船岸如何表示？
设想：设想人类可以利用飞船以
0.2c
的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光，根据v光船=v光+v船该星球上的观察者测量到的激光的速度是否为1.2c，事实是这样吗？
1.2倍的光速与我们中学里学到的，真空中的光速是宇宙中最快的速度两者不相符。
1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷通过实验证明了，在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！
这与牛顿力学中，不同的参考系之间的速度变换关系（伽利略变换）不符！
一、相对论时空观
描述一个物体的运动必须选择一个参考系，然后研究这一物体相对于参考系是如何运动的。
两个小球一起做自由落体运动，均受到重力的作用，如果以红球为参考系，则绿球是静止的。而绿球受到的合外力不为零。所以绿球相对于红球这个参考系而言，并不符合牛顿运动定律。
惯性参考系——牛顿运动定律成立的参考系
非惯性参考系——牛顿运动定律不成立的参考系
所有相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而对于惯性系做变速运动的参考系为非惯性系。
1.绝对时空观
生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”，均匀地自行流逝着，空间像一个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观。
2.牛顿力学与电磁理论的冲突
十九世纪，英国科学家麦克斯韦，提出了电磁场理论，预言了电磁波的存在，并从理论上证明了，电磁波传播的速度等于光速。人们不禁要问：这个速度是相对哪个参考系而言的呢？但在迈克尔逊和莫雷实验事实的面前，许多物理学家，仍然立足在牛顿力学时空观的基础上，想通过一些理论上的修补工作，解释实验现象。但是都没有成功，这导致牛顿力学与电磁理论的冲突。
你觉得该如何解释这个现象呢？
以爱因斯坦和庞加莱为代表的另一批物理学家，坚决主张，彻底放弃某些与实验事实不相符的观念，如绝对时间的观念，在实验事实的基础上，大胆提出，能够更好地解释实验现象的假设。
3.相对论的两个基本假设
（1）相对性原理：
光速不变原理：
相对论时空观的内容
根据爱因斯坦假设：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的，两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中不一定也是同时的。
例如：假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。
（1）车上的观察者以车厢为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
（2）车下的观察者来说，以地面为参考系，闪光到达前后两壁的时间相同吗？
5、时间延缓效应
如果相当于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt，则
6、长度收缩效应
如果与杆相对静止的人测得杆长是
l0
，沿着杆的方向，以
v
相对杆运动的人测得杆长是
l，那么两者之间的关系是
例题：有一种基本粒子叫μ子，当它低速运动时，它的平均寿命是3.0μs，当μ子以0.99c的速度飞行时，若选μ子为参考系，μ子的平均寿命是多少？若以地面为参考系，μ子的平均寿命是多少？
事实上，到达地面的μ子，大多产生于距地面8km的高空，科学家们根据经典理论，可以计算出每秒到达地面的μ子个数。但这个理论数值小于实际观察到μ子个数。这是为什么呢？
相对论时空的验证实验
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。
将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验结果与理论预言符合的很好。这是相对论的第一次宏观验证。
牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学的成就
(1)把天体运动与地面上物体的运动统一起来。
(2)经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等。
(3)力学和热力学的发展及其与生产的结合引发了第一次工业革命。
(4)由牛顿运动定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等是航空航天技术的理论基础。
2.牛顿力学的局限性
(1)经典力学是从日常机械运动中总结出来的，超出这个范围，经典力学常常就不适用了。
(2)绝对时空观：牛顿认为，时间、空间与物质及其运动完全无关，时间与空间也完全无关。
在微观世界中（尺度在10-10m以下），由于物质的存在和运动形式（波粒二象性），较宏观世界，有较大的不同,牛顿力学也不适用。
3.正确理解绝对时空观
(1)时间和空间是分离的，时间尺度和空间尺度与物质运动无关，都是绝对的。
②经典力学的时空观认为，时间就其本质而言是永远均匀地流逝，与任何其他外界事物无关，空间就其本质而言与外界任何事物无关，它从不运动，并且永远不变。
4.由绝对时空观得到的结论
①同时的绝对性
在一个惯性系中的观察者在某一时刻观测到两个事件，对另一个做匀速直线运动的惯性系中的观察者来说是同时发生的，即同时性与观察者的运动状态无关。
②时间间隔的绝对性
任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系(或观察者)的运动无关。
③空间距离的绝对性
如果各个惯性系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点的距离也就有绝对不变的量值，而与惯性系的选择(或观察者的运动状态)无关。
5.经典力学有它的适用范围
只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界；只适用于弱引力情况，不适用于强引力情况。
低速和高速的区别：
(1)低速：通常所见物体的运动，如行驶的汽车、发射的导弹、人造地球卫星及宇宙飞船等物体皆为低速运动物体。
(2)高速：有些微观粒子在一定条件下其速度可以与光速相接近，这样的速度称为高速。
【课堂检测】
1、下列运动中不能用经典力学规律描述的是（ ）
A．子弹的飞行
B．粒子接近光速的运动
C．人造卫星绕地球运动
D．和谐号从南通向上海飞驰
2、一艘太空飞船静止时的长度为30m，他以0.6c（c为光速）的速度沿长度方向飞行经过地球，下列说法正确的是（ ）
A．飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
B．地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m
C．飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于c
D．地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c
3、经典力学有一定的局限性。当物体以下列速度运动时，经典力学不再适用的是（ ）
【达标训练】
经典力学不能适用于下列哪些运动的研究?
?
?
A.
火箭的发射
B.
宇宙飞船绕地球的运动
C.
“勇气号”宇宙探测器的运动
D.
以倍光速运行的电子束
美国科学家2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在．引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了经典力学的局限性．关于经典力学，下列说法正确的是?
?
A.
经典力学完全适用于宏观低速运动
B.
经典力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C.
随着物理学的发展，经典力学将逐渐成为过时的理论
D.
由于相对论、量子论的提出，经典力学已经失去了它的应用价值
经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的“高速”是指
A.
声音在空气中的传播速度
B.
第一宇宙速度
C.
高铁列车允许行驶的最大速度
D.
接近真空中光的传播速度
2017年10月3日，瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家，以表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献．引力波是爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”，相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性．关于牛顿力学，下列说法正确的是
A.
牛顿力学完全适用于宏观低速运动
B.
牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的
C.
随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论
D.
由于相对论、量子论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值
下列说法中不正确的是
A.
杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观点
B.
由静止的人来测，沿自身长度方向运动的杆的长度总比杆静止时的长度小
C.
杆静止时的长度为，不管杆如何运动，杆的长度均小于
D.
如果两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们分别相对静止的两位观察者都会认为对方的杆缩短了
如下图所示，a、b、c为三个完全相同的时钟，a放在水平地面上，b、c分别放在以速度、向同一方向飞行的两枚火箭上，且，则地面的观察者认为走得最慢的钟为???
???
A.
a
B.
b
C.
c
D.
无法确定
下列说法正确的是
A.
牛顿定律适合于解决宏观、低速的物体运动问题
B.
在真空中相对于不同的惯性参考系光速是不同的
C.
在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的快
D.
在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度大
下列说法符合史实的是
A.
开普勒在牛顿定律的基础上，总结出了行星运动的规律
B.
卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量
C.
牛顿建立的经典力学可以解决自然界中所有的问题
D.
“和谐号”动车组高速行驶时，在地面上测得的其车厢长度明显变短
下列运动中不能用经典力学规律描述的是
A.
子弹的飞行
B.
粒子接近光速的运动
C.
人造卫星绕地球运动
D.
和谐号从深圳向广州飞驰
多选年6月16日，来自中国的“墨子号”量子卫星从太空发出两道红色的光射向青海德令哈站与千里外的云南丽江高美古站，首次实现了人类历史上第一次距离达“千公里级”的量子密钥分发．下列说法正确的是
经典力学适用于“墨子号”绕地球运动的规律
B.
经典力学适用于光子的运动规律
C.
量子力学可以描述“墨子号”发出两道红光的运动规律
D.
量子力学的发现说明经典力学已经失去了应用价值
参考答案
【课堂检测】
B
B
C
【达标训练】
1.D【解析】火箭的发射、宇宙飞船绕地球的运动、宇宙探测器的运动都属低速，经典力学能适用。对于高速微观的情形经典力学不适用，故对以倍光速运行的电子束不适用；故选D。
2.A【解析】A、经典力学完全适用于宏观低速运动的物体，故A正确；
B、经典力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B错误C、相对论与量子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在一定条件下的特殊情形；故CD错误；
故选A。
3.D【解析】经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动，这里的：“高速”应该是指接近真空中光的传播速度，
故选D。
4.A【解析】A?
牛顿力学完全适用于宏观低速运动的物体，故A正确；
B.牛顿力学取得了巨大的成就，但它也具有一定的局限性，并不是普遍适用的，在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学取得了巨大的成就，故B错误；
在微观高速情况下，要用量子力学和相对论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学在其适用范围内仍然是正确的，故不会过时也不会失去应用价值，故CD错误。
故选A。
5.C【解析】A.经典物理学家的观点认为，一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，故A正确；B.根据知沿自身长度方向运动的杆其长度总比杆静止时的长度小，故B正确；C.一根杆的长度静止时为，当杆运动的方向与杆垂直时，杆的长度不发生变化，故C错误；D.根据相对论时空观的观点，两根平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与它们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆缩短了，故D正确；
本题选择不正确的，故选：C。
6.C【解析】如题图所示，地面上的观察者认为C钟走得最慢，因为它相对于观察者的速度最大，根据公式
可知，相对于观察者的速度v越大，其上的时间进程越慢，所以c走的最慢。
地面上的钟a的速度，它所记录的两事件的时间间隔最大，即地面上的钟走得最快。故C正确，ABD错误。
故选C。
7.A【解析】A.牛顿定律是经典物理学的基础，仅适用于低速、宏观领域，故A正确；
B.根据狭义相对论可知，在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值c，这叫光速不变原理，故B错误；C.?根据狭义相对论的钟慢效应可知，在高速运动的列车中的钟表比静止在地面上的钟表走的慢，故C错误；D.根据狭义相对论的尺缩效应可知，在地面观察高速行进的列车时，测其长度会比它静止时的长度小，故D错误。
故选A。
8.B【解析】A.开普勒在他的导师第谷天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，但并未找出了行星按照这些规律运动的原因；牛顿在开普勒行星运动定律的基础上推导出万有引力定律，故A错误；B.卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量，故B正确；C.牛顿运动定律不适用于微观高速物体，故C错误；D.“和谐号”动车组高速行驶时，其速度远远小于光速，则不会出现沿车厢长度明显变短的现象，故D错误。
故选B。
9.B【解析】解：子弹的飞行、火车的运动及人造卫星绕地球的运动，都属于宏观低速，经典力学能适用。
而粒子接近光速的运动，不能适用于经曲力学；
故选：B。
10.AC【解析】经典力学适用于宏观物体的运动，而不适用微观粒子的运动，故A正确，B错误；量子力学使用描述微观粒子的运动，故C正确，D错误。
故选AC。
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