考点内容 要求 说明 考纲解读  功和功率 Ⅱ  1.从近几年高考来看,关于功和功率的考查,多以选择题的形式出现,有时与电流及电磁感应相结合命题. 2.功和能的关系一直是高考的“重中之重”,是高考的热点和重点,涉及这部分内容的考题不但题型全、分量重,而且还经常有压轴题,考查最多的是动能定理和机械能守恒定律,且多数题目是与牛顿运动定律、平抛运动、圆周运动以及电磁学等知识相结合的综合性试题. 3.动能定理及能量守恒定律仍将是高考考查的重点.高考题注重与生产、生活、科技相结合,将对相关知识的考查放在一些与实际问题相结合的情境中去,能力要求不会降低.  重力势能 Ⅱ    弹性势能 Ⅰ 弹性势能的表 达式不作要求   动能;动能定理 Ⅱ    机械能守恒定律及其应用 Ⅱ    实验:验证机械能守恒定律 Ⅱ    能量守恒 Ⅰ     第1课时 功 功率 考纲解读 1.掌握做功正负的判断和计算功的方法.2.理解P=和P=Fv的关系,并会运用.3.会分析机车的两种启动方式.   1.[功的理解]下列选项所示的四幅图是小明提包回家的情景,其中小明提包的力不做功的是 (  )   答案 B 2.[功率的理解]关于功率的公式P=Fvcos α,以下理解正确的是 (  ) A.它是由功率的定义式P=W/t及功的定义式W=Flcos α联合导出的,所以它只能用来计算平均功率 B.若F与v的夹角α=0,P=Fv C.当公式中的v表示平均速度且F为恒力时,则P=Fv求解的是平均功率 D.当F、v、α均为瞬时值时,P=Fvcos α求解的是瞬时功率 答案 BCD 解析 P=Fvcos α是由功率的定义式和功的定义式推导得来的,但它既能用来求解平均功率,也能用来求解瞬时功率,A错误.夹角α是力F与速度v的夹角,当夹角α=0时,P=Fv,B正确.当F为恒力,v为平均速度时,P为平均功率;当v为瞬时速度时,P为瞬时功率,C、D正确. 3.[功的简单计算]起重机以1 m/s2的加速度将质量为1 000 kg的货物由静止开始匀加速向上提升,若g取10 m/s2,则在1 s内起重机对货物所做的功是 (  ) A.500 J B.4 500 J C.5 000 J D.5 500 J 答案 D 解析 货物的加速度向上, 由牛顿第二定律有:F-mg=ma, 起重机的拉力F=mg+ma=11 000 N. 货物的位移是l=at2=0.5 m, 做功为W=Fl=5 500 J.故D正确. 4.[功率的简单计算]一质量为m的木块静止在光滑的水平面上,从t=0开始,将一个大小为F的水平恒力作用在该木块上,在t=t1时刻力F的瞬时功率是 (  ) A.t1 B.t C.t1 D.t 答案 C 解析 在t=t1时刻木块的速度为v=at1=t1,此时刻力F的瞬时功率P=Fv=t1,选C. 考点梳理 一、功 1.做功的两个要素 (1)作用在物体上的力. (2)物体在力的方向上发生的位移. 2.公式:W=Flcos_α (1)α是力与位移方向之间的夹角,l为物体对地的位移. (2)该公式只适用于恒力做功. (3)功是标(标或矢)量. 3.功的正负 (1)α<90°,力对物体做正功. (2)α>90°,力对物体做负功,或者说物体克服这个力做了功. (3)α=90°,力对物体不做功. 二、功率 1.定义:功与完成这些功所用时间的比值. 物理意义:描述力对物体做功的快慢. 2.公式 (1)P=,P为时间t内的平均功率. (2)P=Fvcos α(α为F与v的夹角) ①v为平均速度,则P为平均功率. ②v为瞬时速度,则P为瞬时功率.  5.[关于变力功的求解]如图1所示,一个人推磨,其推磨杆的力的 大小始终为F,与磨杆始终垂直,作用点到轴心的距离为r, 磨盘绕轴缓慢转动.则在转动一周的过程中推力F做的功为(  ) A.0       B.2πrF 图1 C.2Fr D.-2πrF 答案 B 解析 磨盘转动一周,力的作用点的位移为0, 但不能直接套用W=Flcos α求解,因为在转动过程中推力F为变力. 我们可以用微元的方法来分析这一过程. 由于F的方向在每时刻都保持与作用点的速度方向一致,因此可把 圆周划分成很多小段来研究,如图所示,当各小段的弧长Δsi足够小(Δsi→0)时,F的方向与该小段的位移方向一致,所以有:WF=F·Δs1+F·Δs2+F·Δs3+…+F·Δsi=F·2πr=2πrF(这等效于把曲线拉直). 6.[用图象法求变力功]如图2甲所示,静止于光滑水平面上坐标原点处的小物块,在水平拉力F作用下,沿x轴方向运动,拉力F随物块所在位置坐标x的变化关系如图乙所示,图线为半圆.则小物块运动到x0处时F做的总功为 (  )  图2 A.0 B.Fmx0 C.Fmx0 D.x 答案 C 解析 F为变力,但F-x图象包围的面积在数值上表示拉力做的总功.由于图线为半圆,又因在数值上Fm=x0,故W=πF=π·Fm·x0=Fmx0. 方法提炼 变力做功的计算方法 1.用动能定理W=ΔEk或功能关系求. 2.当变力的功率P一定时,可用W=Pt求功,如机车恒功率启动时. 3.当力的大小不变,而方向始终与运动方向相同或相反时,这类力做的功等于力和路程(不是位移)的乘积.如滑动摩擦力做功等. 4.当力的方向不变,大小随位移做线性变化时,可先求出力的平均值=,再由W=lcos α计算. 5.作出变力F随位移l变化的图象,图象与位移所在轴所围的“面积”即为变力做的功.  考点一 判断正、负功的方法 1.根据力和位移方向之间的夹角判断 此法常用于恒力做功的判断. 2.根据力和速度方向之间的夹角判断 此法常用于质点做曲线运动时变力做功的判断. 3.从能的转化角度来进行判断 此法常用于判断相互联系的两个物体之间的相互作用力做功的情况. 例如车M静止在光滑水平轨道上,球m用细线悬挂在车上, 由图3中的位置无初速度地释放,因为绳的拉力使车的动能 增加了,则可判断在球下摆过程中绳的拉力对车做正功.又 因为M和m构成的系统的机械能是守恒的,故M增加的机 图3 械能等于m减少的机械能,所以绳的拉力一定对球m做负功. 特别提醒 1.作用力和反作用力虽然等大反向,但由于其分别作用在两个物体上,产生的位移效果无必然联系,故作用力和反作用力做的功不一定一正一负,大小也不一定相等. 2.摩擦力并非只做负功,也可以做正功或不做功. 例1 长为L的轻质细绳悬挂一个质量为m的小球,其下方有一个 倾角为θ的光滑斜面体,放在水平面上,开始时小球与斜面刚刚 接触且细绳恰好竖直,如图4所示,现在用水平推力F缓慢向左 推动斜面体,直至细绳与斜面体平行,则下列说法中正确的是(  ) 图4 A.由于小球受到斜面的弹力始终与斜面垂直,故对小球不做功 B.细绳对小球的拉力始终与小球的运动方向垂直,故对小球不做功 C.小球受到的合外力对小球做功为零,故小球在该过程中机械能守恒 D.若水平面光滑,则推力做功为mgL(1-cos θ) 解析 小球受到斜面的弹力沿竖直方向有分量,故对小球做功,A错误;细绳的拉力方向始终和小球的运动方向垂直,故对小球不做功,B正确;合外力对小球做功等于小球动能的改变量,虽然合外力做功为零,但小球的重力势能增加,故小球在该过程中机械能不守恒,C错误;若水平面光滑,则推力做功为mgL(1-sin θ),D错误. 答案 B 突破训练1 如图5所示,拖着旧橡胶轮胎跑是身体耐力训练的一种 有效方法.如果某受训者拖着轮胎在水平直道上跑了100 m, 那么下列说法正确的是 (  ) 图5 A.轮胎受到地面的摩擦力对轮胎做了负功 B.轮胎受到的重力对轮胎做了正功 C.轮胎受到的拉力对轮胎不做功 D.轮胎受到的地面的支持力对轮胎做了正功 答案 A 解析 根据力做功的条件,轮胎受到的重力和地面的支持力都与位移垂直,这两个力均不做功,B、D错误;轮胎受到地面的摩擦力与位移反向,做负功,A正确;轮胎受到的拉力与位移夹角小于90°,做正功,C错误. 考点二 功的计算 1.恒力做的功:直接用W=Flcos α计算. 2.合外力做的功 方法一:先求合外力F合,再用W合=F合lcos α求功. 方法二:先求各个力做的功W1、W2、W3、……,再应用W合=W1+W2+W3+……求合外力做的功. 3.变力做的功 (1)应用动能定理求解. (2)应用W=Pt求解,此法适用于变力的功率P不变. (3)将变力做功转化为恒力做功,此法适用于力的大小不变,方向与运动方向相同或相反,或力的方向不变,大小随位移均匀变化的情况. 例2 如图6甲所示,一固定在地面上的足够长斜面,倾角为37°,物体A放在斜面底端挡板处,通过不可伸长的轻质绳跨过光滑轻质滑轮与物体B相连接,B的质量M=1 kg,绳绷直时B离地面有一定高度.在t=0时刻,无初速度释放B,由固定在A上的速度传感器得到的数据绘出的A沿斜面向上运动的v-t图象如图乙所示.若B落地后不反弹,g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.求:  图6 (1)B下落的加速度大小a; (2)A沿斜面向上运动的过程中,绳的拉力对A做的功W; (3)A(包括传感器)的质量m及A与斜面间的动摩擦因数μ. (4)求在0~0.75 s内摩擦力对A做的功. 解析 (1)由题图乙可知:前0.5 s,A、B以相同大小的加速度做匀加速运动,0.5 s末速度大小为2 m/s. a== m/s2=4 m/s2 (2)前0.5 s,绳绷直,设绳的拉力大小为F;后0.25 s,绳松驰,拉力为0 前0.5 s,A沿斜面发生的位移l=vt=0.5 m 对B,由牛顿第二定律有:Mg-F=Ma ① 代入数据解得F=6 N 所以绳的拉力对A做的功W=Fl=3 J (3)前0.5 s,对A,由牛顿第二定律有 F-(mgsin 37°+μmgcos 37°)=ma ② 后0.25 s,由题图乙得A的加速度大小 a′== m/s2=8 m/s2 对A,由牛顿第二定律有 mgsin 37°+μmgcos 37°=ma′ ③ 由②③式可得F=m(a+a′) 代入数据解得m=0.5 kg 将数据代入③式解得μ=0.25 (4)物体A在斜面上先加速后减速,滑动摩擦力的方向不变,一直做负功 在0~0.75 s内物体A的位移为: x=×0.75×2 m=0.75 m 解法一 Wf=-μmgcos 37°·x=-0.75 J 解法二 设摩擦力做的功为Wf,对物体A在0~0.75 s的运动过程根据动能定理有 WF-mgΔh+Wf=0 Δh=xsin 37° 解得Wf=-0.75 J 答案 (1)4 m/s2 (2)3 J (3)0.5 kg 0.25 (4)-0.75 J       1.根据图象及题意明确物体的运动过程.   2.明确拉力F作用的时间段. 3.明确摩擦力的方向一直没变化. 4.利用好图象的信息:斜率表示加速度,“面积”表示位移. ` 突破训练2 一物体在水平面上,受恒定的水平拉力和摩擦力作用沿 直线运动,已知在第1秒内合力对物体做的功为45 J,在第1秒 末撤去拉力,其v-t图象如图7所示,g取10 m/s2,则(  ) A.物体的质量为10 kg 图7 B.物体与水平面间的动摩擦因数为0.2 C.第1秒内摩擦力对物体做的功为60 J D.第1秒内拉力对物体做的功为60 J 答案 AD 解析 由动能定理得,W1=,第1秒末速度v=3 m/s,解得m=10 kg,故A正确; 撤去拉力后加速度的大小 a= m/s2=1 m/s2, 摩擦力Ff=ma=10 N,又Ff=μmg, 解得μ=0.1,故B错误; 第1秒内物体的位移x=1.5 m, 第1秒内摩擦力对物体做的功 W=-Ffx=-15 J,故C错误; 第1秒内加速度的大小 a1= m/s2=3 m/s2, 设第1秒内拉力为F,则F-Ff=ma1, 第1秒内拉力对物体做的功 W′=Fx=60 J,故D正确. 考点三 功率的计算 公式P=和P=Fv的区别: (1)P=是功率的定义式,P=Fv是功率的计算式. (2)平均功率的计算方法 ①利用=. ②利用=F·cos α,其中为物体运动的平均速度. (3)瞬时功率的计算方法 ①利用公式P=Fvcos α,其中v为t时刻的瞬时速度. ②P=F·vF,其中vF为物体的速度v在力F方向上的分速度. ③P=Fv·v,其中Fv为物体受到的外力F在速度v方向上的分力. 例3 如图8所示,水平传送带正以v=2 m/s的速度运行,两端水平 距离l=8 m,把一质量m=2 kg的物块轻轻放到传送带的A端, 物块在传送带的带动下向右运动,若物块与传送带间的动摩擦因数 图8 μ=0.1,不计物块的大小,g取10 m/s2,则把这个物块从A端传送到B端的过程中,摩擦力对物块做功的平均功率是多少?1 s时,摩擦力对物块做功的功率是多少?皮带克服摩擦力做功的功率是多少? 解析 物块刚放到传送带上时,由于与传送带有相对运动,物块受向右的滑动摩擦力,物块做加速运动,摩擦力对物块做功,求出物块在摩擦力作用下的位移和运动时间. 物块受向右的摩擦力为: Ff=μmg=0.1×2×10 N=2 N 加速度为a==μg=0.1×10 m/s2=1 m/s2 当物块与传送带相对静止时,物块的位移为: x== m=2 m. 摩擦力做功为:W=Ffx=2×2 J=4 J 相对静止后物块与传送带之间无摩擦力,此后物块匀速运动到B端,物块由A端运动到B端所用的时间为: t=+= s+ s=5 s 则物块在被传送过程中所受摩擦力的平均功率为: == W=0.8 W. 1 s时,物块的速度为v1=at=1 m/s 则摩擦力对物块做功的功率为 P1=Ffv1=2×1 W=2 W. 皮带的速度为v=2 m/s,故皮带克服摩擦力做功的功率为 P2=Ffv=2×2 W=4 W. 答案 0.8 W 2 W 4 W 计算功率的基本思路    1.首先判断待求的功率是瞬时功率还是平均功率. 2.(1)平均功率的计算方法 ①利用=.②利用=Fcos α. (2)瞬时功率的计算方法 P=Fvcos α,v是t时刻的瞬时速度. 突破训练3 一质量为m的物体静止在光滑水平面上,从t=0 时刻开始受到水平外力的作用.力的大小F与时间t的关系 如图9所示,力的方向保持不变,则下列说法中正确的是(  ) A.物体在t0和2t0时刻相对于出发点的位移之比是1∶5 B.物体在t0和2t0时刻的瞬时速度之比是1∶5 图9 C.外力在O到t0和t0到2t0时间内做功之比是1∶8 D.外力在t0和2t0时刻的瞬时功率之比是1∶8 答案 AC 解析 在0~t0时间内,a=,x1=at=, v1=at0=t0 在0~2t0时间内,a′=,x2=v1t0+a′t=, v2=a1t0+a′t0=t0 所以A项中,位移之比为=,A项正确;B项中,=,B项错误;C项中,W1=F0x1=,W2=2F0x2=,所以W1∶W2=1∶8,C项正确;D项中,P1=F0v1=,P2=2F0v2=,所以P1∶P2=1∶6,D项错误.  高考题组 1.(2012·四川理综·21)如图13所示,劲度系数为k的轻弹簧的 一端固定在墙上,另一端与置于水平面上质量为m的物体 接触(未连接),弹簧水平且无形变.用水平力F缓慢推动 物体,在弹性限度内弹簧长度被压缩了x0,此时物体静止. 图13 撤去F后,物体开始向左运动,运动的最大距离为4x0.物体与水平面间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g.则 (  ) A.撤去F后,物体先做匀加速运动,再做匀减速运动 B.撤去F后,物体刚运动时的加速度大小为-μg C.物体做匀减速运动的时间为2  D.物体开始向左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功为μmg(x0-) 答案 BD 解析 撤去F后,物体向左先做加速运动,其加速度大小a1==-μg,随着物体向左运动,x逐渐减小,所以加速度a1逐渐减小,当加速度减小到零时,物体的速度最大,然后物体做减速运动,其加速度大小a2==μg-,a2随着x的减小而增大.当物体离开弹簧后做匀减速运动,加速度大小a3==μg,所以选项A错误.根据牛顿第二定律,刚撤去F时,物体的加速度a==-μg,选项B正确.物体做匀减速运动的位移为3x0,则3x0=a3t2,得物体做匀减速运动的时间t= = ,选项C错误.当物体的速度最大时,加速度a′=0,即kx=μmg,得x=,所以物体克服摩擦力做的功W=μmg(x0-x)=μmg(x0-),选项D正确. 2.(2012·江苏单科·3)如图14所示,细线的一端固定于O点,另一端系 一小球.在水平拉力F作用下,小球以恒定速率在竖直平面内由A 点运动到B点.在此过程中拉力的瞬时功率变化情况是 (  ) A.逐渐增大 图14 B.逐渐减小 C.先增大,后减小 D.先减小,后增大 答案 A 解析 小球速率恒定,由动能定理知:拉力做的功与克服重力做的功始终相等,将小球的速度分解,可发现小球在竖直方向分速度逐渐增大,重力的瞬时功率也逐渐增大,则拉力的瞬时功率也逐渐增大,A项正确. 3.(2011·海南单科·9)一质量为1 kg的质点静止于光滑水平面上,从t=0时起,第1秒内受到2 N的水平外力作用,第2秒内受到同方向的1 N的外力作用.下列判断正确的是(  ) A.0~2 s内外力的平均功率是 W B.第2秒内外力所做的功是 J C.第2秒末外力的瞬时功率最大 D.第1秒内与第2秒内质点动能增加量的比值是 答案 AD 解析 根据牛顿第二定律得,物体在第1 s内的加速度a1==2 m/s2,在第2 s内的加速度a2== m/s2=1 m/s2;第1 s末的速度v1=a1t=2 m/s,第2 s末的速度v2=v1+a2t=3 m/s;0~2 s内外力做的功W=mv= J,平均功率P== W,故A正确.第2 s内外力所做的功W2=mv-mv=(×1×32-×1×22) J= J,故B错误.第1 s末的瞬时功率P1=F1v1=4 W.第2 s末的瞬时功率P2=F2v2=3 W,故C错误.第1 s内动能的增加量ΔEk1=mv=2 J,第2 s内动能的增加量ΔEk2=W2= J,所以=,故D正确. 4.(2010·课标全国·16)如图15所示,在外力作用下某质点运动的v-t 图象为正弦曲线.从图中可以判断 (  ) A.在0~t1时间内,外力做正功 B.在0~t1时间内,外力的功率逐渐增大 C.在t2时刻,外力的功率最大 图15 D.在t1~t3时间内,外力做的总功为零 答案 AD 解析 由v-t图象可知,在0~t1时间内,由于物体的速度增大,根据动能定理可知,外力对物体做正功,A正确;在0~t1时间内,因为物体的加速度减小,故所受的外力减小,由题图可知t1时刻外力为零,故功率为零,因此外力的功率不是逐渐增大,B错误;在t2时刻,由于物体的速度为零,故此时外力的功率最小,且为零,C错误;在t1~t3时间内,因为物体的动能不变,故外力做的总功为零,D正确. 模拟题组 5.质量为2 kg的物体,放在动摩擦因数μ=0.1的水平面上, 在水平拉力的作用下由静止开始运动,拉力做的功W随物 体的位移x变化的关系如图16所示.取重力加速度g= 10 m/s2,则 (  ) 图16 A.x=0至x=3 m的过程中,物体的加速度是2.5 m/s2 B.x=6 m时,拉力的功率是6 W C.x=9 m时,物体的速度是3 m/s D.x=3 m至x=9 m过程中,合力做的功是12 J 答案 BC 解析 由题图知,在0~3 m内,W=F1x,斜率表示F1,F1==5 N,所以加速度a1== m/s2=1.5 m/s2,A项错.在3 m~9 m内:F2==  N=2 N,加速度a′==0.因此在x=6 m时,P6=F2v1,v=2a1x1,x1=3 m,所以v1=3 m/s,P6=F2v1=2×3 W=6 W,B项对.在3 m~9 m内,物体一直做匀速运动,合力不做功,所以v9=3 m/s,C项对,D项错.  (限时:30分钟) ?题组1 关于做功的判断 1.如图1所示,一轻绳的一端系在固定粗糙斜面上的O点,另一端系 一小球.给小球一足够大的初速度,使小球在斜面上做圆周运动. 在此过程中 (  ) 图1 A.斜面对小球的支持力做功 B.重力对小球不做功 C.绳的张力对小球不做功 D.在任何一段时间内,小球克服摩擦力所做的功总是等于小球动能的减少量 答案 C 解析 斜面的支持力、绳的张力总是与小球的运动方向垂直,故不做功,A错,C对;摩擦力总与速度方向相反,做负功;小球在重力方向上有位移,因而做功,B错;小球动能的变化量等于合外力做的功,即重力与摩擦力做功的和,D错. 2.如图2所示,在皮带传送装置中,皮带把物体P匀速带至高处, 在此过程中,下述说法正确的是 (  ) A.摩擦力对物体做正功 B.摩擦力对物体做负功 图2 C.支持力对物体不做功 D.合外力对物体做正功 答案 AC 解析 物体P匀速上升过程中,合外力为零,合外力对物体做功为零,D错误;支持力垂直于运动方向,故支持力做功为零,C正确;摩擦力沿斜面向上,与物体运动方向相同,故摩擦力做正功,A正确,B错误. 3.如图3所示,A、B叠放着,A用绳系在固定的墙上,用力F将B 拉着右移.用FT、FAB和FBA分别表示绳子的拉力、A对B的摩擦 力和B对A的摩擦力,则下列叙述中正确的是 (  ) A.F做正功,FAB做负功,FBA做正功,FT不做功 图3 B.F和FBA做正功,FAB和FT做负功 C.F做正功,其他力都不做功 D.F做正功,FAB做负功,FBA和FT都不做功 答案 D 解析 力F与物体B的位移同向,故F做正功;FAB与物体B的位移反向,故FAB做负功;FBA作用在A上,A静止不动,故FBA不做功;绳子的拉力FT作用在A和墙上,二者均静止不动,故FT不做功. ?题组2 关于功和功率的计算 4.用一水平拉力使质量为m的物体从静止开始沿粗糙的水平面运动, 物体的v-t图象如图4所示.下列表述正确的是 (  ) A.在0~t1时间内拉力逐渐减小 B.在0~t1时间内物体做曲线运动 图4 C.在t1~t2时间内拉力的功率不为零 D.在t1~t2时间内合外力做功为mv2 答案 AC 解析 由F-μmg=ma及P=Fv知0~t1时间内拉力F逐渐减小,物体做直线运动,A正确,B错误;在t1~t2时间内,由动能定理知,F≠0,F合=0,故C正确,D错误. 5.放在粗糙水平面上的物体受到水平拉力的作用,在0~6 s内其速度与时间的图象和该拉力的功率与时间的图象分别如图5甲、乙所示.下列说法正确的是 (  )  图5 A.0~6 s内物体的位移大小为30 m B.0~6 s内拉力做的功为70 J C.合外力在0~6 s内做的功与0~2 s内做的功相等 D.滑动摩擦力的大小为5 N 答案 ABC 解析 由v-t图象面积表示相应时间内的位移,得A项正确;0~2 s内,物体做匀加速运动,设拉力为F1,由P1=F1v,得F1= N=5 N,W1=F1x1=5× J=30 J,2 s~ 4 s内,W2=P2t2=10×4 J=40 J,所以0~6 s内W=W1+W2=70 J,B项正确;由v-t图象得0~2 s内物体做匀加速运动,2 s~4 s内物体做匀速运动,故C项正确;2 s~6 s内,Ff=F拉== N= N,D项错误. 6.一滑块在水平地面上沿直线滑行,t=0时刻其速度为2.0 m/s.从此时刻开始在滑块运动方向上再施加一水平拉力F,力F和滑块的速度v随时间t的变化规律分别如图6甲和乙所示.设在第1 s内、第2 s内、第3 s内力F对滑块做功的平均功率分别为P1、P2、P3,则 (  )  图6 A.P1>P2>P3 B.P1
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