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圆周运动内容的考点:
1、圆周运动的定义和描述;
2、线速度的定义和计算公式;
3、线速度的方向;
4、匀速圆周运动;
5、角速度的定义和计算式;
6、角度的追及问题——时钟;
7、转速与周期、频率的关系;
8、转速与角速度的单位换算;
9、周期、角速度、转速、频率与线速度之间的关系式;
10、传动问题;
11、利用传动关系计算机械的移动速度;
12、圆周运动的周期性多解问题。
知识点1:圆周运动
描述圆周运动的物理量:
1、线速度
定义:质点通过的弧长s与所用时间t的比值。
物理意义:描述物体圆周运动快慢。
单位:m/s。
图例:
计算公式:v=eq \f(Δs,Δt)=eq \f(2πr,T)。
方向:方向在圆周各点的切线方向上。
注意:线速度v=中的s是弧长、不是位移,线速度只不过为区分角速度而在速度前冠以“线”字罢了,因其方向总是沿弧的切线方向而称之为线速度。
2、角速度
定义:质点通过的弧长s与所用时间t的比值。
物理意义:描述物体转动快慢。
单位:rad/s(弧度每秒)。
图例:
计算公式:ω=eq \f(Δθ,Δt)=eq \f(2π,T)。
3.周期T
(1)定义:做匀速圆周运动的物体运动一周所用的时间叫做周期。
(2)物理意义:描述物体转动快慢。
(3)单位:s(秒)。周期为标量。
(4)计算公式:T=eq \f(2πr,v)
4.频率f
(1)定义:单位时间内内完成周期性运动的次数。。
(2)物理意义:描述物体转动快慢。
(3)单位:Hz(赫)。频率为标量。
(4)计算公式:f=1/T
5.转速n
(1)定义:做圆周运动的物体单位时间内沿圆周绕圆心转过的圈数。
(2)物理意义:描述物体做圆周运动的快慢。
(3)单位:在国际单位制中为r/s(转每秒);常用单位为r/min(转每分)。1 r/s=60 r/min。转速为标量。
(4)计算公式:n=f=1/T
圆周运动物理量之间的关系:
匀速圆周运动:
1.定义:做圆周运动的物体,若在相等的时间内通过的圆弧长相等,就是匀速圆周运动。
2.性质:一种变加速的变速运动。
在匀速圆周运动中,线速度的大小(速率)不变、方向时刻改变,不是恒矢量,所以匀速圆周运动是一种变速运动。向心加速度大小不变、方向始终指向圆心,时刻改变,是变加速(非匀变速)曲线运动(加速度是变化的)。角速度、周期、转速都恒定不变。向心力大小恒不变,但方向时刻改变,是变力。匀速圆周运动中的“匀速”是“匀速率”的意思。
3.周期性
由于圆具有中心对称的特点,故物体每转一周,该物体又回到原处,所以物体在某处出现所需的时间应为周期的整数倍,解题时,应注意圆周运动的多解问题。
4.匀速圆周运动的条件:当物体所受的合外力大小恒定、方向始终与速度方向垂直且指向圆心(是变力)时,物体做匀速圆周运动,此时向心力由物体所受合外力提供。当物体做匀速圆周运动时,合外力就是向心力。
圆周运动中的三种传动模式
处理传动问题的关键是确定相同量,即线速度或者角速度。
考点1:圆周运动的定义和描述;
1.(2023下·广东广州·高一广州市真光中学校考阶段练习)某质点绕圆轨道做匀速圆周运动,下列说法中正确的是( )
A.该质点的速度始终不变,做的是匀速运动
B.该质点的速度大小不变,方向时刻改变,是变速运动
C.该质点的速度大小不变,因而加速度为零,处于平衡状态
D.相同时间内通过的弧长相等,所以速度不变
【答案】B
【详解】AB.质点速度大小始终不变,但是方向不断变化,所以质点做的不是匀速运动,是变速运动,选项A错误,B正确;
C.该质点速度大小不变,但是方向不断变化,即速度不断变化,因而加速度不为零,不是处于平衡状态,选项C错误;
D.相同时间内通过的弧长相等,质点的速度大小不变,方向不断变化,选项D错误。
故选B。
考点2:线速度的定义和计算公式;
2.(2021·高一课时练习)一质点做半径为R的匀速圆周运动,在t时间内转动n周,则该质点的线速度为( )
A.B.C.D.
【答案】B
【详解】在时间t内转动n周,根据线速度定义得周期为
该质点的线速度大小为
故选B。
考点3:线速度的方向;
3.(2022下·江苏扬州·高一扬州中学校考期中)如图所示为“旋转纽扣”游戏。用力反复拉线两端,纽扣逆、顺转动交替,纽扣绕其中心转动。则纽扣边缘各质点( )
A.线速度相同,可能在变小
B.线速度相同,一直在变大
C.角速度相同,可能在变小
D.角速度相同,一直在变大
【答案】C
【详解】AB.纽扣边缘各质点绕其中心线速度在同一时刻大小相等,方向不同,线速度是矢量,AB错误;
CD.同轴转动,角速度相同,所以纽扣边缘各质点绕其中心角速度在同一时刻相同,用力反复拉线两端,纽扣逆顺转动交替,所以角速度可能在变小,D错误C正确。
故选C。
考点4:匀速圆周运动;
4.(2023下·四川乐山·高一四川省峨眉第二中学校校考阶段练习)2023年2月23日,我国首颗超100Gbps容量的高通量卫星“中星26号”成功发射升空,并顺利进入预定轨道。若卫星绕地球的运动可看作匀速圆周运动,则卫星绕地球运动过程中的( )
A.线速度不变B.角速度不变C.加速度不变D.向心力不变
【答案】B
【详解】做匀速圆周运动的卫星的线速度大小不变,方向改变、加速度大小不变,方向改变、向心力大小不变,方向改变,角速度大小和方向均不变。
故选B。
考点5:角速度的定义和计算式;
5.(2023下·广东佛山·高一佛山市南海区桂华中学校考阶段练习)上世纪70年代我国农村常用辘轳浇灌农田,其模型图如图所示,细绳绕在半径为r的轮轴上悬挂一个水桶,轮轴上均匀分布着6根手柄,柄端有6个质量均匀的小球。球离轴心的距离为,轮轴、绳(极细)及手柄的质量以及摩擦均不计。当手柄匀速转动周把水桶提上来时,则( )
A.小球的角速度为
B.轮轴转动的角速度大于小球转动角速度
C.水桶的速度是小球转动线速度的倍
D.轮轴转动了nR周
【答案】C
【详解】A.题中的不是转速,根据题意无法求出小球的角速度,故A错误;
B.转轴和小球属于同轴转动,角速度相等,故B错误;
C.水桶的速度等于
小球转动线速度为
则
水桶的速度是小球转动线速度的倍,故C正确;
D.手柄和轮轴属于同轴转动,手柄匀速转动周,轮轴转动了n周,故D错误。
故选C。
考点6:角度的追及问题——时钟;
6.(2021下·安徽宣城·高一校联考阶段练习)如图甲所示,生活中我们常看见在时钟表盘出现分针和时针相遇的情景,其中的物理关系可以简化成图乙模型,有A、B两质点绕同一点O做匀速圆周运动,运动方向相同。已知A的周期为,B的周期为,且,若设A、B运动到图示位置为第一次相遇,则两质点下一次相遇所用的时间为( )
A.B.C.D.
【答案】D
【详解】由题设情景分析可知,A、B下一次相遇的条件为
即
解得
ABC错误;D正确。
故选D
考点7:转速与周期、频率的关系;
7.(2022下·山东济南·高一统考期中)轨迹为圆周或一段圆弧的机械运动称为圆周运动,圆周运动是生活中常见的曲线运动,为了描述这类曲线运动,我们引入了一些新的物理量,关于圆周运动及这些物理量的说法正确的是( )
A.速度的大小和方向一定都改变
B.线速度的方向可能指向圆弧内部
C.匀速圆周运动是角速度不变的圆周运动
D.线速度与角速度一定成正比
【答案】C
【详解】A.速度的大小可能不变,如匀速圆周运动,故A错误;
B.线速度的方向一定沿运动轨迹的切线方向,故B错误;
C.匀速圆周运动是角速度不变的圆周运动,故C正确;
D.如果半径不一定,则线速度与角速度不成正比,故D错误。
故选C。
考点8:转速与角速度的单位换算;
8.(2020·河北衡水·校考模拟预测)穿梭于大街小巷的共享单车解决了人们出行的“最后一公里”问题。单车的传动装置如图所示,链轮的齿数为38,飞轮的齿数为16,后轮直径为660mm,若小明以5m/s匀速骑行,则脚踩踏板的角速度约为( )
A.3.2 rad/sB.6.4 rad/sC.12.6 rad/sD.18.0rad/s
【答案】B
【详解】飞轮和后轮角速度ω1相等,链轮和飞轮的边缘线速度v相等,链轮和踏板角速度ω2相等,可得
故B正确,ACD错误。
故选B。
考点9:周期、角速度、转速、频率与线速度之间的关系式;
9.(2023下·广东梅州·高一校考阶段练习)小红同学在体验糕点制作“裱花”环节时,她在绕中心匀速转动的圆盘上放了一块直径8英寸(20cm)的蛋糕,在蛋糕边缘每隔4s均匀“点”一次奶油,蛋糕转动一周正好均匀“点”上15点奶油。下列说法正确的是( )
A.圆盘转动的转速约为
B.圆盘转动的角速度大小为
C.蛋糕边缘的线速度大小约为
D.圆盘转动的周期是56秒
【答案】B
【详解】AD.圆盘转动的周期
T=15×4s=60s
则转速为
选项AD错误;
B.圆盘转动的角速度大小为
选项B正确;
C.蛋糕边缘的线速度大小为
选项C错误;
故选B。
考点10:传动问题;
10.(2023下·高一校考课时练习)如图所示为一皮带传动装置,右轮的半径为r,a是它边缘上的一点,左侧是一轮轴,大轮的半径是4r,小轮的半径为2r,b点在小轮上,到小轮中心的距离为r,c点和d点分别位于小轮和大轮的边缘上,若在传动过程中,皮带不打滑,则( )
A.a点与b点的线速度大小相等
B.a点与b点的角速度大小相等
C.a点与d点的线速度大小相等
D.a点与d点的向心加速度大小相等
【答案】D
【详解】A.由图可知,a、c两点属于皮带传动,所以线速度大小相等,b、c两点的角速度相等,根据
c的线速度大于b的线速度,则a、b两点的线速度大小不相等,故A错误;
B.由图可知,a、c两点线速度相等,根据
知两点角速度不等,但b、c两点的角速度相等,所以a、b两点的角速度不相等,故B错误;
C.a、c两点的线速度相等,根据
得角速度之比为
d、c两点的角速度相等,则
根据
得a、d的线速度之比为
即a、d的线速度不相等,故C错误;
D.根据
解得a、d的向心加速度大小之比为
即a、d的向心加速度大小相等,故D正确。
故选D。
考点11:利用传动关系计算机械的移动速度;
11.(2021下·贵州贵阳·高一统考期末)如图是自行车传动结构的示意图,其中大齿轮、小齿轮和后轮的半径分别为、和。假设脚踏板的转速为,则该自行车前进的速度为( )
A.B.C.D.
【答案】B
【详解】脚踏板的转速等于大齿轮的转速,为,则大齿轮边缘的线速度
小齿轮边缘的线速度也为
小齿轮和后轮同轴转动,角速度相等,则后轮边缘的线速度即自行车前进的速度为
故选B。
考点12:圆周运动的周期性多解问题。
12.(2021下·陕西西安·高一西安市第三中学校考期中)一位同学玩飞镖游戏,已知飞镖距圆盘为L对准圆盘上边缘的A点水平抛出,初速度为v0,飞镖抛出的同时,圆盘以垂直圆盘且过盘心O点的水平轴匀速转动。若飞镖恰好击中A点,下列说法不正确的是( )
A.从飞镖抛出到恰好击中A点,A点一定转动到最低点位置
B.从飞镖抛出到恰好击中A点的时间为
C.圆盘的半径为
D.圆盘转动的角速度一定满足
【答案】D
【详解】A.飞镖抛出后做平抛运动,则飞镖抛出到恰好击中A点,A点一定转动到了圆盘最低点位置,故A正确;
B.飞镖水平抛出,在水平方向做匀速直线运动,因此
故B正确;
C.飞镖击中A点时,A恰好在最下方,有
解得
故C正确;
D.飞镖击中A点,则A点转过的角度满足
θ=ωt=π+2kπ(k=0、1、2......)
故
(k=0、1、2......)
故D错误。
本题选错误的,故选D。
多选题
13.(2022上·广东汕头·高三统考期中)如图所示,趣味飞镖游戏的镖盘以角速度绕过O点的水平轴匀速转动,某人将一枚飞镖正对盘边缘P点(O点正上方)以水平速度掷出,恰好击中P点。不计空气阻力,飞镖每次从同一位置正对P点水平掷出,下列说法正确的是( )
A.仅增大,飞镖仍可能击中P点B.仅减小,飞镖不可能击中镖盘
C.仅增大,飞镖仍可能击中P点D.仅减小和,飞镖仍可能击中P点
【答案】BC
【详解】飞镖以水平速度掷出,恰好击中P点,则有
A.仅增大,则飞镖到镖盘的时间变短,所以下落的高度
飞镖不可能击中P点,故A错误;
B.仅减小,则飞镖到镖盘所在竖直平面时,时间变长,所以下落的高度
飞镖不可能击中P点,故B正确;
C.仅增大, 可知n值变大,关系式仍可成立,则飞镖仍可能击中P点,故C正确;
D.由B项的分析可知,若减小,飞镖不可能击中P点,故D错误。
故选BC。
14.(2023下·河北保定·高一统考期中)小明网购了一本明代版的《天工开物》,该书记录了我们祖先的劳动智慧,书中的牛力齿轮翻车图如图所示。A、B、C三齿轮的半径依次减小,牛拉动齿轮翻车后,下列说法正确的是( )
A.齿轮A边沿质点与齿轮B边沿质点的线速度大小相等
B.齿轮B边沿质点与齿轮C边沿质点的线速度大小相等
C.齿轮A与齿轮B的角速度大小相等
D.齿轮B与齿轮C的角速度大小相等
【答案】AD
【详解】AB.通过齿轮相连的各点,线速度大小相等,故A正确、B错误;
CD.同轴转动的各点,角速度大小相等,故C错误、D正确。
故选AD。
15.(2023下·广东东莞·高一东莞高级中学校考阶段练习)某电风扇的调速器有四档,控制的转速分别为:,,,,下列说法中正确的是( )
A.一挡和四档风扇叶片转动的周期之比是
B.一挡和三档风扇叶片转动的角速度之比是
C.四挡和二档风扇叶片边缘转动的线速度之比是
D.二挡和一档风扇叶片转动的角速度之比等于周期之比
【答案】BC
【详解】A.一挡和四档风扇叶片转动的周期之比是
故A错误;
B.一挡和三档风扇叶片转动的角速度之比是
故B正确;
C.四挡和二档风扇叶片边缘转动的线速度之比是
故C正确;
D.二挡和一档风扇叶片转动的角速度之比
周期之比
故D错误。
故选BC。
16.(2022下·甘肃张掖·高一高台县第一中学校考期中)半径为R的水平圆盘绕过圆心O的竖直轴匀速转动,A为圆盘边缘上一点,在O的正上方有一个可视为质点的小球以初速度v水平抛出时,半径OA恰好与v的方向相同,如图所示,若要使小球与圆盘只碰一次,且落在A,重力加速度为g,则圆盘转动的角速度可能为( )
A.B.C.D.
【答案】CD
【详解】小球做平抛运动,在水平方向上做匀速直线运动,则运动的时间为
小球与圆盘只碰一次,且落在A点,满足
联立解得
CD正确。
故选CD。
17.(2022下·内蒙古通辽·高一霍林郭勒市第一中学校考阶段练习)如图所示的装置可测量子弹的飞行速度。在一根轴上相隔s=1m处安装两个平行的薄圆盘,使轴带动两盘以n=3000r/min的转速匀速转动,飞行的子弹平行于轴沿一直线穿过两圆盘,即在盘上留下两个孔,现测得两小孔所在半径间的夹角为30°,子弹飞行速度大小可能是( )
A.44.6m/sB.600m/sC.54.5m/sD.800m/s
【答案】BC
【详解】子弹从左盘到右盘,盘转过的角度为
盘转动的角速度
由圆周运动公式
可解得
当N=0时解得
或者
同理可得
当N=0时解得
故选BC。
18.(2022下·河南三门峡·高一统考期末)如图是带车牌自动识别系统的直杆道闸。离地面高为1m的细直杆可绕O在竖直面内匀速转动,杆的中点A和前端B点各有一装饰小旗子。汽车从自动识别线ab处到达直杆处的时间为2.3s,自动识别系统的反应时间为0.3s;汽车可看成高1.6m的长方体,其左侧面底边在aaˊ直线上,且O到aaˊ的距离为0.6m,下列说法正确的是( )
A.A、 B两小旗子的角速度大小之比为1∶ 2
B.A、 B两小旗子的向心加速度大小之比为1∶ 2
C.要使汽车安全通过道闸,直杆转动的角速度至少为
D.要使汽车安全通过道闸,直杆转动的角速度至少为
【答案】BD
【详解】A.A、 B两小旗子一起随细直杆绕O做同轴匀速转动,角速度相同,角速度大小之比为1∶1,故A错误;
B.由匀速圆周运动向心加速度与角速度关系
则A、 B两小旗子的向心加速度大小之比为
故B正确;
CD.由题知要使汽车安全通过道闸,直杆在时间内至少要转动的角度为,则转动的角速度至少为
故C错误,D正确。
故选BD。
19.(2019下·广东·高一统考期末)下列说法正确的是( )
A.物体运动状态发生改变,物体一定受到变力作用
B.匀速圆周运动和平抛运动都是匀变速曲线运动
C.曲线运动是变速运动
D.物体做曲线运动,所受的合力可能是恒力
【答案】CD
【详解】A.物体运动状态发生改变,即速度发生变化,物体一定受到力作用,但该力不一定是变力,如自由落体运动只受到不变的重力的作用,但是速度逐渐增大,A错误;
B.平抛运动只受重力,加速度恒定为,是匀变速曲线运动,但匀速圆周运动的加速度的方向始终指向圆心,是变加速曲线运动,B错误;
C.物体做曲线运动时,速度的方向不断变化,所以曲线运动是变速运动,C正确;
D.物体做曲线运动的条件是合力的方向与速度方向不在同一条直线上,但合外力不一定变化,如平抛运动,加速度不变,D正确。
故选CD。
20.(2022下·湖北恩施·高一校考阶段练习)如图所示,一长为l的轻杆一端固定在O点,另一端固定一小球,小球绕O点在竖直平面内做匀速圆周运动,在时间内转过的圆心角为,下列说法正确的是( )
A.在时间内小球转过的弧长为
B.在时间内小球转过的弧长为
C.小球转动的角速度大小为
D.小球转动的线速度大小为
【答案】AC
【详解】AB.根据弧长与圆心角的关系可知,在时间内小球转过的弧长为,故A正确,B错误;
C.根据角速度的定义式得小球转动的角速度的大小为
故C正确;
D.小球转动的线速度大小为
故D错误。
故选AC。
21.(2021下·黑龙江牡丹江·高一校考期中)下列说法正确的是( )
A.匀速圆周运动的速度大小保持不变,所以做匀速圆周运动的物体没有加速度
B.做匀速圆周运动的物体,虽然速度大小不变,但方向时刻在改变,所以必有加速度
C.做匀速圆周运动的物体,加速度的大小保持不变,所以是匀变速(曲线)运动
D.匀速圆周运动的加速度大小虽然不变,但方向始终指向圆心,加速度的方向发生了变化,所以匀速圆周运动既不是匀速运动,也不是匀变速运动
解答题
22.(2023下·广东中山·高一中山一中校考阶段练习)如图所示,按顺时针方向在竖直平面内作匀速转动的轮子边缘上有一点A。当A通过与圆心等高的a点时,有一质点B从圆心O开始做自由落体运动,已知圆的半径为R求:
(1)轮子的角速度ω满足什么条件时,点A才能与B相遇?
(2)轮子的角速度ω'满足什么条件时,点A与B的速度才会相同?
【答案】(1) ;(2)
【详解】(1)质点B运动到最低点d时才能与A点相遇,设质点B运动到d点的时间为t,根据自由落体运动得
设A点做圆周运动的周期为T
解得
(2)当A通过与圆心等高的C点时,点A与B的速度才会相同,设所用时间为t',根据题意得
解得
23.(2023下·广东广州·高一广州市第二中学校考期中)水车是我国劳动人民利用水能的一项重要发明。下图为某水车模型,从槽口水平流出的水初速度大小为1.5m/s,垂直落在与水平面成37°角的水轮叶面上的A点,落点A到轮轴O点间的距离为2m。在水流不断冲击下,轮叶匀速转动起来,轮叶受冲击点的线速度大小接近冲击前瞬间水流速度大小,忽略空气阻力,g取10m/s2,sin37°=0.6,cs37°=0.8,有关水车及从槽口流出的水,求:
(1)从槽口流出至落在A点的时间t;
(2)水车的角速度ω。
【答案】(1)0.2s;(2)1.25rad/s
【详解】(1)根据题意,水流落到轮叶时速度方向与水平方向的夹角为53°,则
解得
(2)水车的角速度为
24.(2023下·广东广州·高一广州市真光中学校考期中)如图所示,半径的光滑圆弧轨道固定在竖直平面内,过最低点的半径OA处于竖直位置,在其右方有一可绕竖直轴MN(与圆弧轨道共面)转动的、内部空心的圆筒,圆筒半径,筒的顶端与A点等高,圆筒上开有两个小孔B、C,B、C处于同一竖直线上,距筒顶的距离分别,,开始时小孔B、C在图示位置(与圆弧轨道共面)。现让一质量的小物块自光滑圆弧轨道的某点由静止释放,到达A点时触动光电装置,使圆筒立刻以某一角速度匀速转动起来,结果小物块正好从小孔B进入圆筒,并从小孔C离开。不计空气阻力,g取10m/s2.求:
(1)小物块由A运动到B所用的时间;
(2)小物块到达A点时的速度大小;
(3)圆筒匀速转动的角速度。
【答案】(1)0.2m/s ;(2)2m/s (3)(,,)
【详解】(1)从A到B做平抛运动,则有
解得
(2)由(1)所求的时间可得:小物块进入小孔B时,竖直方向的速度为
小物块正好从小孔B进入圆筒,并从小孔C离开,说明竖直方向下落的同时,水平方向运动了2r的距离,则有水平方向
解得
;
(3)由(2)所求的时间和平抛运动的初速度vA可得:A点到B点的水平距离为
则圆筒匀速转动时的角速度需满足
(,,)
从B点到C点,圆筒要转圈,才能让小物块正好从C离开,则圆筒匀速转动时的角速度需满足
(,,)
综合上述,圆筒匀速转动时的角速度是为(,,)。
25.(2022下·广东广州·高一华南师大附中校考阶段练习)冲关节目是一种户外娱乐健康游戏,如图所示为参赛者遇到的一个关卡。一个半径为R的圆盘浮在水面上,圆盘表面保持水平且与水平跑道的高度差h=1.25m,M为圆盘边缘上一点。某时刻,参赛者从跑道上P点以初速度v0水平向右跳出,初速度的方向与圆盘半径OM在同一竖直平面内。已知圆盘的圆心与P点之间的水平距离为x0=3m,圆盘半径R=1m,重力加速度g取10m/s2,不计空气阻力。求:
(1)参赛者从P点跳出至落至圆盘经历的时间t;
(2)参赛者要落在圆盘上,v0的范围;
(3)若参赛者从P点跳出的同时,圆盘绕过其圆心O的竖直轴以角速度ω匀速转动,要使参赛者落到M点,求圆盘转动的角速度。(结果可以保留)
【答案】(1)0.5s;(2);(3)
【详解】(1)根据
解得
(2)根据
解得初速度的最小值为
根据
可得
所以初速度的范围为
(3)根据题意得
(,2,3……)
解得
(,2,3……)
方式
同轴传动
皮带传动
齿轮传动
装置
A、B两点在同轴的一个圆盘上,到圆心的距离不同。
两个轮子用皮带连接,A、B两点分别是两个轮子边缘上的点。
两个齿轮轮齿啮合,A、B两点分别是两个齿轮边缘上的点。
图例
特点
A、B两点角速度、周期相同
A、B两点线速度相同
A、B两点线速度相同
转动方向
相同
相同
相反
规律
线速度与半径成正比:
角速度与半径成反比:
,
周期与半径成正比:
角速度与半径成反比与齿轮齿数成反比∶
,
周期与半径成正比,与齿轮齿 数成正比:
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