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【单元练】高中物理必修2第六章【圆周运动】习题

2024-07-20 来源:好走旅游网


一、选择题

1.如图所示,质量为m的小球在竖直平面内的固定光滑圆形轨道的内侧运动,经过最高点而不脱离轨道的临界速度为v,当小球以3v的速度经过最高点时,对轨道的压力大小是(重力加速度为g)( )

A.mg 解析:D

当小球以速度v经内轨道最高点时不脱离轨道,小球仅受重力,重力充当向心力,有

B.2mg

C.4mg

D.8mgD

v2mgm

r当小球以速度3v经内轨道最高点时,小球受重力G和向下的支持力N,合外力充当向心力,有

(3v)2 mgNmr又由牛顿第三定律得到,小球对轨道的压力与轨道对小球的支持力相等,N′=N;由以上三式得到

N8mg

ABC错误,D正确. 故选D。

2.如图所示,一个小球在F作用下以速率v做匀速圆周运动,若从某时刻起,小球的运动情况发生了变化,对于引起小球沿a、b、c三种轨迹运动的原因,下列说法正确的是( )

A.沿a轨迹运动,可能是F减小了一些

B.沿b轨迹运动,一定是v增大了

C.沿b轨迹运动,可能是F减小了 解析:C

D.沿c轨迹运动,一定是v减小了C

A.沿a轨迹运动,是小球没有力作用时的轨迹,所以A错误;

BC.沿b轨迹运动,可能是v增大了或可能是F减小了一些,所以B错误;C正确; D.沿c轨迹运动,可能是v减小了或可能是F增大了,所以D错误; 故选C。

3.如图所示,固定的锥形漏斗内壁是光滑的,内壁上有两个质量不相等的小球A和B,在各自不同的水平面做匀速圆周运动,关于球A和球B以下物理量的大小相等的是( )

A.线速度 解析:C

B.角速度 C.向心加速度 D.对内壁的压力C

两个小球均受到重力mg和筒壁对它的弹力FN的作用,其合力必定在水平面内指向圆心。由图可知,筒壁对球的弹力为

FN向心力为

mg sinmg tang tanFn向心加速度为

an其中θ为圆锥顶角的一半。

ABC.对于A、B两球θ角相等,所以向心加速度相等,选项C正确;

v2 得 根据anrvanr 两球的轨迹半径不相等,所以线速度不相等,选项A错误;

2根据anr 得

an r两球的轨迹半径不相等,所以角速度不相等,选项B错误; D.由于A、B两球质量不相等,θ角相等,根据上述FNmg可知,A、B两球受到筒sin壁的弹力大小不相等,A、B两小球对筒壁的压力大小也不相等,选项D错误。 故选C。

4.轻杆长为L,并带着质量为m的小球在竖直平面内以速度v=gL做匀速圆周运动,小球在a、b、c、d四个位置时,不计空气阻力,下列说法正确的是( )

A.在a点,轻杆对球有作用力 B.在b点,杆对球的作用力指向圆心 C.在c点,杆对球的作用力大小为mg D.在d点,杆对球的作用力大小为2mgD 解析:D

A.在a点,由牛顿第二定律有

v2mgFm ,v=gL

L解得

F=0

则在a点,轻杆对球没有作用力,所以A错误;

B.由于小球做匀速圆周运动,合外力提供向心力,则在b点,杆对球的作用力与球的重力的合力指向圆心,所以B错误;

C.由于小球做匀速圆周运动,合外力提供向心力,则在c点有

v2Fmgm ,v=gL L解得

F=2mg

所以C错误;

D.由于小球做匀速圆周运动,合外力提供向心力,在d点的合外力为mg,所以杆对球的作用力大小为

F则D正确; 故选D。

mg2F向2=2mg

5.如图所示是两个圆锥摆,两个质量相等、可以看做质点的金属小球有共同的悬点,在相同的水平面内做匀速圆周运动,下面说法正确的是( )

A.A球对绳子的拉力较大 B.A球圆周运动的向心力较大 C.B球圆周运动的线速度较大 D.B球圆周运动的周期较大C 解析:C

AB.对小球进行受力分析,受到重力、绳的拉力作用,这二个力的合力提供它作匀速圆周运动的向心力,受力分析如下图。

由几何关系可知

Tmg cosFnmgtan

由上面二式可知,θ角越大,cosθ越小,T越大;tanθ越大,Fn越大,故B球对绳子的拉力较大,B球圆周运动的向心力较大,故AB错误; C.由向心力公式可知

v2mgtanm

RRhtan

解得

vghtan

由于h相同,θ角度越大,v越大,故B球圆周运动的线速度较大,故C正确; D.由v2R可知 TT2R2htanh2 vgghtan故两球作匀速圆周运动的周期一样大,故D错误。

故选C。

6.如图所示,甲、乙两水平圆盘紧靠在一块,甲圆盘为主动轮,乙靠摩擦随甲转动无滑动.甲圆盘与乙圆盘的半径之比为r甲:r乙=3:1,两圆盘和小物体m1、m2之间的动摩擦因数相同,小物体质量m1=m2,m1距O点为2r,m2距O′点为r,当甲缓慢转动起来且转速慢慢增加时( )

A.滑动前m1与m2的角速度之比ω1:ω2=3:1 B.滑动前m1与m2的向心加速度之比a1:a2=1:3 C.滑动前m1与m2的线速度之比v1:v2=1:1 D.随转速慢慢增加,m2先开始滑动D 解析:D

A.甲、乙两轮子边缘上的各点线速度大小相等,有

13r2r

甲:乙1:3

故A错误;

B.物块相对盘开始滑动前,根据a=ω2r得m1与m2的向心加速度之比为

a1:a2122r:22r2:9

故B错误;

C.根据公式v=ωr,m1距O点为2r,m2距O′点为r,甲乙的角速度之比为

甲:乙1:3

所以它们的线速度之比为2:3,故C错误; D.根据

μmg=mrω2

知,临界角速度

gr 可知甲乙的临界角速度之比为1:3,由于甲乙的角速度之比为

甲:乙1:3

可知当转速增加时,m2先达到临界角速度,所以m2先开始滑动,故D正确。 故选D。

7.质量分别为M和m的A、B两物块放在水平转盘上,用细线系于圆盘转轴上的同一点,细线均刚好拉直,细线与转轴夹角θ>α,随着圆盘转动的角速度缓慢增大( )

A.A对圆盘的压力先减为零 B.B对圆盘的压力先减为零 C.A、B同时对圆盘的压力减为零

D.由于A、B质量大小关系不确定,无法判断哪个物块对圆盘的压力先减为零C 解析:C

设悬点到圆盘盘面的距离为h,对A研究,当A对圆盘的压力为零时

MgtanMhtan12

得到

1g hg h同理可以得到B对圆盘的压力减为零时,转动的角速度

2故选C。

8.杂技演员在表演“水流星”的节目时,盛水的杯子经过最高点杯口向下时水也不洒出来.对于杯子经过最高点时杯子和水的受力情况,下列说法正确的是( )

A.杯子受到重力、拉力和向心力的作用 B.杯子受到的拉力一定为零 C.杯底对水的作用力可能为零 D.水受平衡力的作用,合力为零C 解析:C

A.由于向心力是效果力,故A错误; B.当在最点时速度为v0到拉力的作用,故B错误; C.当在最点时的速度为v0力为零,故C正确;

D.在最高点,水靠重力和弹力的合力提供向心力,合力不为零,故D错误.

9.水平转台两个质量相等的物体A和B,A、B与转轴距离分别为r、2r,当转盘和物块

gR时,杯子不受拉力的作用,当速度大于gR时,杯子受gR,则在最高点,水靠重力提供向心力,杯底对水的作用

绕竖直转轴匀速转动时,物块与转盘始终保持相对静止( )

A.A线速度比B线速度大 C.当转速增大时,A比B先滑动 解析:D

B.A角速度比B角速度大 D.当转速增大时,B比A先滑动D

AB.两物块随转盘一起转动,角速度相等,由vr可知,因B的转动半径大,则B的线速度比A的线速度大,故AB均错误;

CD.当物块随转盘转动即将相对滑动时,由最大静摩擦力提供向心力,有

mgm2r

可知临界角速度为

gr 因B的转动半径大,则B物体的临界角速度较小,即B比A先滑动,故C错误,D正确。 故选D。

10.一个物体做匀速圆周运动,则这个物体( ) A.线速度不变 B.向心加速度不变 C.角速度不变 D.做匀变速运动C 解析:C

A.匀速圆周运动的线速度大小不变,方向改变,A错误; B.根据

v2a

r向心加速度的大小不变,但方向始终指向圆心,时刻改变,B错误; C.匀速圆周运动,转动一圈的时间是不变的,即周期不变,根据

角速度不变,C正确;

2 TD.向心力的大小不变,方向始终指向圆心,时刻改变,做的是变加速运动,D错误。 故选C。

二、填空题

11.某机器的齿轮系统如图所示,中间的轮叫作太阳轮,它是主动轮,从动轮称为行星轮。太阳轮、行星轮与最外面的大轮彼此密切啮合在一起。所有轮只绕自己的轴心转动。机器的齿轮系统正常运转,由于某种原因,只有行星轮的齿数无法确认,并且不能给行星

轮加装其它测量设备。某兴趣小组准备通过简单实验进行确认行星轮齿数。步骤如下:

(1)根据太阳轮、行星轮与最外面的大轮彼此密切啮合在一起,确定三个轮边缘处的(________)

A.角速度相同 B.线速度相同 C.线速度大小相等 D.加速度相同

(2)给太阳轮和最外面的大轮分别加装传感器(图中未画出),以便测机器正常运转时太阳轮和大轮的角速度,如果太阳轮一周的齿数为n1,行星轮一周的齿数为n2,经过计算,则大轮和太阳轮的角速度之比为(________)

n2n1n2n1A. B. C. D.

n1n2n1n2n1-n2n12n2(3)已知太阳轮齿数为48,通过对传感器数据分析,得到大轮和太阳轮的角速度之比为2:3,则行星轮的齿数为______。CD12 解析:C D 12

[1]由于太阳轮、行星轮与最外面的大轮彼此密切啮合在一起,转过的齿数相同,也就是相同时间内路程相同,也就是线速度大小相同,C正确。 故选C。

[2]设太阳轮的角速度为,由齿数与周长关系可知

2RARAn1 2RBRBn2则

RB由图可知

n2RA n1RC2RBRA

三个轮边缘处的线速度大小相等,得

RARC

联立可得

大轮和太阳轮的角速度之比为

n1

n12n2n1 n12n2ABC错误,D正确。 故选D。

[3]根据大轮和太阳轮的角速度之比为

n1 n12n2太阳轮齿数为48,大轮和太阳轮的角速度之比为2:3,将数据代入

248 3482n2解得行星轮的齿数为

n212

12.如图所示,工厂中的水平天车吊起质量为2.7t的铸件,以2 m/s的速度匀速行驶,钢绳长3m。当天车突然刹车时,钢绳所受的拉力为______。

06×104N

解析:06×104 N

当天车突然刹车时,根据牛顿第二定律有

v2Fmgm

l解得钢绳对物体的拉力

v2Fmmg3.06104N

l根据牛顿第三定律可知钢绳所受的拉力为

FF3.06104N

13.长0.5m的轻杆,一端连着质量0.5kg的小球,另一端绕过O点的水平固定轴在竖直平面内自由转动。当小球以2m/s的速率通过最高点时,受到轻杆的作用力为大小为____N,是______(选填“拉力”或“支持力”)。g=10m/s2。

支持力

解析:支持力

当杆子在最高达作用力为零时,有

v2mgm

r解得

vgr5m/s>2m/s

知杆子表现为支持力,根据牛顿第二定律得

v2 mgFmr解得

v2Fmgm1N

r14.如图所示,质量为m的小球固定在长度为R的轻杆一端,在竖直面内绕杆的另一端O做圆周运动,当小球运动到最高点时,瞬时速度为(选填“拉力”或“压力”),大小等于______。

3gR,则小球对杆的作用力为______2拉力

解析:拉力

1mg 2[1][2] 设此时杆对小球的作用力为拉力,则有

v2Tmgm

R解得

Tmg 2正号说明力的方向与假设相同,即球受到的力为杆向上的拉力,根据牛顿第三定律可知,杆受到向下的

mg拉力。 215.如图,光滑圆锥面内侧有两个玻璃小球 A、B 沿锥面在水平面内做匀速圆周运动(A、B 两球的质量不相等,它们的线速度关系是 vA__vB;它们的角速度关系是ωA____ωB,它们的加速度关系是 aA______aB(填“>””<”或“=”)

><=

解析:> < =

对A、B两球分别受力分析,如图

由图可知

F合mgtan

[1] 根据向心力公式有

v2mgtanm

R解得

vgRtan A球转动半径较大,A球的线速度大于B球的线速度 [2] 根据

mgtanmR2

解得

gtan RA球转动半径较大,A球的角速度小于B球的角速度 [3] 根据

mgtanma

解得

agtan

它们的向心加速度相等

16.如图所示的皮带传动装置中,轮 A 和 B 同轴,A、B、C 分别是三个轮边缘的质点,且RA= RC=2RB, 三 质点 的线速 度之比 为VA ∶VB ∶VC=__, 角速 度之比 为ωA:ωB:ωC = ______。

2:1:12:2:1

解析:2:1:1 2:2:1

[1]A、B两点的角速度相等,根据vr知

vA:vBRA:RB2:1

B、C两点靠传送带传动,线速度相等

vB:vC1:1

所以

vA:vB:vC2:1:1

[2]B、C两点靠传送带传动,线速度相等

vBvC

根据vr知

B:CRC:RB2:1

所以

A:B:C2:2:1

17.如图是自行车结构示意图。某同学为了测定自行车的骑行速度,他测量出大齿轮半径为r1,小齿轮半径为r2,后轮半径为r3,骑行时又测量出脚踏板在t秒内转动n圈。则自行车骑行速度的计算公式为v___________。

【分析】考查圆周运动相关计算

2nr1r3 解析:tr2【分析】

考查圆周运动相关计算。 [1]脚踏板转动周期为T

t

,则大齿轮的角速度为 n

1大小齿轮线速度相等,即

22n Tt1r12r2

又小齿轮和后轮的角速度相等,即32,则自行车骑行速度为

v3r3

联立解得v2nr1r3。 tr218.如图(a) 所示,A、B为钉在光滑水平面上的两根铁钉,小球C用细绳拴在铁钉B上(细绳能承受足够大的拉力), A、B、C在同一直线上。t=0时,给小球一个垂直于绳的速度,使小球绕着两根铁钉在水平面上做圆周运动,在整个运动过程中小球速率保持不变。在

0t10s时间内,细绳的拉力随时间变化的规律如图(b) 所示,设绳长为d,则两钉子间的距离为____ ;细绳第三次碰钉子到第四次碰钉子的时间间隔为___s。

1解析:d

6[1].0~6s内绳子的拉力不变,知

v2F1m,

d6~10s内拉力大小不变,知

v2F2m'

d因为F256F1,则dd,两钉子之间的间距 5651xddd

66[2].因为第一次碰到钉子需要的时间:

dt1==6s

v0则从第一次碰到钉子到第二次碰到钉子需时间:

(d)t2=v0从第二次碰到钉子到第三次碰到钉子需时间:

d6=5s

(d2)t3=v0从第三次碰到钉子到第四次碰到钉子需时间:

d6=4s

(d3)t4=v0d6=3s

19.(1) 如下图所示,3个质量相等的小球A、B、C固定在轻质硬杆上,而且OA=AB=BC,现将该装置放在光滑水平桌面上,使杆绕过O的竖直轴匀速转动,设OA、AB、BC上的拉力分别为F1、F2、F3,则F1:F2:F3=_______.

(2)飞机在2 km的高空以100 m/s的速度水平匀速飞行,相隔1 s,先后从飞机上掉下A、B两物体,不计空气阻力,物体A飞行时间为_______s两物体在空中的最大距离是________(g=10 m/s2)6:5:320195【解析】(1)设OA=AB=BC=r小球运动的角速

度为ω杆BC段AB段OA段对球的拉力分别为F3F2F1根据牛顿第二定律得:对C球:F3=mω23r ;对B球:F2-F3=mω2

解析:6:5:3 20 195 【解析】

(1)设OA=AB=BC=r,小球运动的角速度为ω,杆BC段、AB段、OA段对球的拉力分别为F3、F2、F1根据牛顿第二定律得:对C球:F3=mω2 3r ;对B球:F2-F3=mω2•2r ;对A球:F1-F2=mω2r ;解得,F1:F2:F3=6:5:3

(2)两物体在空中处于同一条竖直线上,在竖直方向上做自由落体运动,两者的距离随着时间的增大逐渐增大.当A着地时,两者在空中的距离最大.根据h=

12

gt得,2t2h22000=s=20s. g1011g(t−1)2=2000−×10×192m=195m. 22则两者的最大距离△h=h−

20.如图所示,一皮带传动装置右轮半径为r,a是它边缘上的一点.左侧是一轮轴,大轮的半径为4r,小轮半径为2r,b点在小轮上,到轮中心的距离为r,c点和d点分别位于小轮和大轮的边缘上.若传动过程中皮带不打滑,则a、b、c、d四点线速度之比为_____,角速度之比为________。

2:1:2:42:1:1:1【解析】

解析:2:1:2:4 2:1:1:1 【解析】

[1][2]由于b、c、d为同轴转动,角速度相同,由vr,可知

vb:vc:vd1:2:4

由于c与a线速度相等,故

va:vb:vc:vd2:1:2:4

c与a线速度相等,由

v

,可知 r

c:a1:2

由于b、c、d为同轴转动,角速度相同,故

a:b:c:d2:1:1:1

三、解答题

21.用长为L的细绳拴住一质量m的小球,当小球在一水平面上做匀速圆周运动,如图细绳与竖直方向成角,求小球做匀速圆周运动的周期及细绳对小球的拉力。

解析:T2π小球受力如图

mgLcos;F

cosg

根据小球竖直方向上的合力等于零,有

Fcosmg

解得

F在水平方向上有

mg cos22πF合mgtanmLsin

T解得

T2πLcos g22.一辆在水平公路上行驶的汽车,质量m2.0103kg,轮胎与路面间的最大静摩擦力

fm7.5103N.当汽车经过一段半径r60m的水平弯路时,为了确保不会发生侧滑,

汽车转弯时的行驶速率不得超过多少?为保证汽车能安全通过弯路,请你对公路及相应设施的设计,提出合理化建议.

解析:①在转弯处设限速标志,②公路外侧高于内侧.

2vm摩擦力提供汽车的向心力,fm,

r解得:vm15m/s.

建议:①在转弯处设限速标志.②公路外侧高于内侧. 【点睛】

本题关键找出向心力来源,将侧向最大静摩擦力与所需向心力比较,若静摩擦力不足提供向心力,则车会做离心运动.

23.一长为0.8m的轻杆一端与一质量为2kg的小球相连,可绕轻杆另一端在竖直平面内自由转动,求:

(1)在最高点时,小球对轻杆无作用力,这时小球的速度为多少? (2)当小球在最高点速度为1m/s时,杆对球的作用力大小方向? (3)当小球在最高点的速度为4m/s时,杆对球的作用力大小方向?

解析:(1)22m/s;(2)17.5N,竖直向上;(3)20N,竖直向下

(1)在最高点时,小球对轻杆无作用力时重力提供向心力,由牛顿第二定律得

2v0mgm

l解得

v0gl100.8m/s22m/s

(2)当小球在最高点速度为1m/s22m/s时,杆对球的作用力为支持力,根据牛顿第二定律有

v12mgFm

l解得

v12212Fmgm210N17.5N

l0.8所以杆子表现为支持力,大小为17.5N,方向竖直向上

(3)当小球在最高点的速度为4m/s22m/s时,杆对球的作用力是拉力,根据牛顿第二定律有

2v2Fmgm

l解得

2v2242FmmgN20N20N

l0.8所以杆子表现为拉力,大小为20N,方向竖直向下

24.如图甲所示,轨道ABCD的AB段为一半径R0.2m的光滑

1圆弧轨道,BC段为高4为h5m的竖直轨道,CD段为水平轨道。一质量为0.2kg的小球从A点由静止开始下滑,到达B点时速度的大小为2m/s,离开B点做平抛运动,g10m/s2,求: (1)小球到达B点时对圆弧轨道的压力大小;

(2)小球离开B点后,在CD轨道上的落地点到C点的水平距离;

(3)如图乙,如果在BCD轨道上放置一个倾角45的斜面,那么小球离开B点后能否落到斜面上?如果能,求它第一次落在斜面上的位置距离B点有多远。如果不能,请说明理由。

解析:(1)6N; (2)2m;(3)能落在斜面上。L1.13m

(1)小球到达B点时受重力G和竖直向上的弹力N作用,由牛顿第二定律得

2vBNGm

R解得N6N

由牛顿第二定律知小球到达B点时对因弧轨道的压力大小

NN6N

(2)设小球离开B点做平抛运动的时间为t1,落地点到C点的水平距离为x 由

h得

12gt1 2t12h1s gxvBt12m

(3)如图,斜面BE的倾角45,

CE长dh5m,因为dx,所以小球离开B点后能落在斜面上

假设小球第一次落在斜面上F点,BF长为L,小球从B点到F点的时间为t2

LcosvBt2

Lsin联立①②两式得t20.4s,L1.13m

12gt2 225.如图所示,有一长为L的细线,细线的一端固定在O点,另一端拴一质量为m的小球,现使小球能在竖直面内做完整的圆周运动,已知水平地面上的C点位于O点正下方,A是圆周最高点,B是圆周最低点,AC两点的距离为3L,设细线能承受最大拉力是Fm,不计空气阻力,重力加速度为g。

(1)求小球恰好通过最高点A时的速度大小vA;

(2)若要求细线不被拉断,求小球在B点的最大速度不得超过多少; (3)若小球通过A点时,细线恰好被拉断,求小球落地点到C点的距离。

(Fmmg)L6L2(Fmmg)解析:(1)gL;(2);(3) mmg(1)小球恰好能做完整的圆周运动,则小球通过A点时细线的拉力为零,根据重力提供向心力,有

2vAmgm ,vAgL L(2)设小球在B点时细线拉力达到最大时,有

2(Fmmg)LvB Fmmgm,vBmL(3)若小球在A点细线恰被拉断,则

2vA,vAFmmgmL此后小球做平抛运动

(Fmmg)L m3L则小球落地点到C点的距离

12gt,t26L g6L2(Fmmg) xvAtmg26.如图所使用,质量为0.1kg的小物体被长为0.2m的细线拴住,围绕竖直轴在光滑的水平面上匀速圆周运动,周期为0.5s。求: (1)小物体线速度的大小; (2)小物体向心加速度的大小;

(3)当细线的拉力是8N时,小物体角速度的大小。

解析:(1)0.8πm/s;(2)3.2π2m/s2;(3)20rad/s (1)由T2πR得 vv(2)由a(2πR2π0.2m/s=0.8πm/s T0.52π2)R得 Ta(2π2)0.23.2π2m/s2 0.5(3)由FmR2得

F8rad/s20rad/s mR0.10.227.如图所示,质量m=10kg的小球在长为L=10m的细绳作用下在竖直平面内做圆周运动,细绳能承受的最大拉力Tmax=460N,转轴离地高度h=60m。试求: (1)若球恰好通过最高点,则最高点处的速度为多大?

(2)在某次运动中在最低点细绳恰好被拉断,则此时的速度为多大? (3)绳断后小球做平抛运动,如图所示,求落地水平距离x。

解析:(1)10m/s;(2)610m/s;(3)60m (1)若恰好通过最高点,根据牛顿第二定律得

v2mgm

L解得

v1gL10m/s

(2)运动至最低点处,若细绳此时恰好被拉断,则

v2Tmgm

L解得

v2610m/s

(3)绳断后,小球做平抛运动,则有

hL12gt 2xv2t

解得

x60m

28.如图所示,一根长0.1m的细线,一端系着一个质量为0.2kg的小球,拉住线的另一端,使小球在光滑的水平桌面上做匀速圆周运动,使小球的转速很缓慢地增加,当小球的转速增加到

20r/s时细线断了。求:

(1)线断开的瞬间,小球运动的线速度; (2)线断开前的瞬间,受到的拉力大小;

(3)如果小球离开桌面时速度水平,落地时速度与水平方向的夹角为37(sin37=0.6,g取10m/s2),求桌面高出地面的高度。

解析:(1)4m/s;(2)32N;(3)0.45m (1)转速n20根据线速度

角速度

r/s

vr

2n

联立解得

v02nR4m/s

(2)拉力提供小球做圆周运动的向心力,因此

2v0Fm=32N

R(3)落地速度与水平方向夹角的正切值

tan可得vy=3m/s

平抛运动竖直方向上是自由落体运动,根据

vyv0

2可得下落的高度h0.45mvy2gh

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