高考物理必修知識(shí)點(diǎn)知識(shí)講解 能量守恒定律與能源

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1、 能量守恒定律與能源 編稿:周軍 審稿:隋偉 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1.理解能量的概念,知道各種不同形式的能量. 2.明確能量守恒的含義. 3.知道能源的合理利用及能量耗散的概念. 【要點(diǎn)梳理】 要點(diǎn)一、能量 要點(diǎn)詮釋: (1)概念:一個(gè)物體能夠?qū)ν庾龉?,我們就說(shuō)這個(gè)物體具有能量.如:運(yùn)動(dòng)的物體可以推動(dòng)與其接觸的另一個(gè)物體一起向前運(yùn)動(dòng),對(duì)被推動(dòng)的物體做功,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的物體具有能量.又如流動(dòng)的河水、被舉高的重物、被壓縮的彈簧、高溫高壓氣體等都能對(duì)外做功,因此都具有能量. (2)形式:能量有各種不同的形式.運(yùn)動(dòng)的物體具有動(dòng)能;被舉高的重物具有重力勢(shì)能;發(fā)生彈性

2、形變的物體具有彈性勢(shì)能;由大量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)具有內(nèi)能.另外自然界中還存在如化學(xué)能、電能、光能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、原子能等不同形式的能. 不同形式的能與物體的不同運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng),如機(jī)械能對(duì)應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng);內(nèi)能與大量微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng). (3)能量的轉(zhuǎn)化:各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化,而且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總量保持不變也就是說(shuō)當(dāng)某個(gè)物體的能量減少時(shí),一定存在其他物體的能量增加,且減少量一定等于增加量;當(dāng)某種形式的能量減少時(shí),一定存在其他形式的能量增加,且減少量一定等于增加量. (4)功是能量轉(zhuǎn)化的量度. 不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過(guò)做功實(shí)現(xiàn)的.做功的過(guò)程就

3、是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移)的過(guò)程.且做了多少功,就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移),因此,功是能量轉(zhuǎn)化的量度. 如舉重運(yùn)動(dòng)員把重物舉起來(lái),對(duì)重物做了功.這一過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)員通過(guò)做功消耗了體內(nèi)的化學(xué)能,轉(zhuǎn)化為重物的重力勢(shì)能.并且,運(yùn)動(dòng)員做了多少功,就有多少化學(xué)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能. 能量的具體值往往無(wú)多大意義,我們關(guān)心的大多是能量的變化量,能量的變化必須通過(guò)做功才能實(shí)現(xiàn),某種力做功往往與某一具體的能量變化相聯(lián)系,即所謂功能關(guān)系.力學(xué)中常見(jiàn)力做功與能量轉(zhuǎn)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下: 功 能的變化 表達(dá)式 重力做功 正功 重力勢(shì)能減少 重力勢(shì)能變化 負(fù)功 重力勢(shì)能增加 彈力做

4、功 正功 彈性勢(shì)能減少 彈性勢(shì)能變化 負(fù)功 彈性勢(shì)能增加 合力做功 正功 動(dòng)能增加 動(dòng)能變化 負(fù)功 動(dòng)能減少 除重力(或系統(tǒng)內(nèi)彈力)外其他力做功 正功 機(jī)械能增加 機(jī)械能變化 負(fù)功 機(jī)械能減少 要點(diǎn)二、能量守恒定律 要點(diǎn)詮釋: (1)內(nèi)容:能量既不會(huì)消滅,也不會(huì)產(chǎn)生,它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中,能量的總量保持不變,這個(gè)規(guī)律叫做能量守恒定律. (2)表達(dá)式:;. (3)利用能量守恒定律解題的基本思路. ①某種形式的能量減少,一定存在其他形式的能量增加

5、,且減少量一定和增加量相等. ②某個(gè)物體的能量減少,一定存在其他物體的能量增加,且減少量和增加量一定相等. (4)利用能量守恒定律解題應(yīng)注意的問(wèn)題: ①該定律是貫穿整個(gè)物理學(xué)的基本規(guī)律之一,是學(xué)習(xí)物理的一條主線. ②要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能量,發(fā)生哪些轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化. ③滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)距離的乘積在數(shù)值上等于產(chǎn)生的內(nèi)能,即. 要點(diǎn)三、能源 要點(diǎn)詮釋: 指能夠提供可利用能量的物質(zhì),它是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ). (1)分類: ①?gòu)娜祟愰_(kāi)發(fā)能源的歷史劃分: 常規(guī)能源:已被廣泛應(yīng)用的能源,如煤、石油、天然氣、水力等. 新能源:指目前尚未被人類

6、大規(guī)模利用而有待進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)和利用的能源,如核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等? ②從使用分類: 一次能源:未經(jīng)人工加工的能源,如煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能等. 二次能源:從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化來(lái)的能源.如:電能、氫能、焦炭. ③從能否再生分類: 可再生能源:水流能、風(fēng)能等. 不可再生能源:石油、煤等. ④從對(duì)環(huán)境的影響分類: 清潔能源(也稱“綠色環(huán)?!蹦茉?:太陽(yáng)能、風(fēng)能等. 非清潔能源:煤、石油、天然氣等. (2)常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化方式: 要點(diǎn)四、能源的開(kāi)發(fā) 要點(diǎn)

7、詮釋: 1.能源的開(kāi)發(fā) 作為常規(guī)能源的煤炭、石油、天然氣等面臨枯竭,節(jié)能和開(kāi)發(fā)新的能源已是人類必須面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題.能源對(duì)造福人類具有極其重要的意義,節(jié)約每一份能源,不僅能提高能源的利用價(jià)值,對(duì)于維護(hù)人類賴以生存的環(huán)境也有不可忽視的作用.新的能源有待于人類去開(kāi)發(fā),如核能的利用、太陽(yáng)能的利用等,還有許多艱苦的工作需要去做. (1)為什么煤、石油和天然氣被人們稱為不可再生能源? 由于煤、石油和天然氣都是幾億年以前的生物遺體形成的,所以人們也稱它們?yōu)榛剂希捎谶@些能源是不能再次生產(chǎn),也不可能重復(fù)使用的,所以稱為非再生能源. (2)人類利用能源的過(guò)程及新能源的開(kāi)發(fā)和利用

8、. ①人類利用能源大致經(jīng)歷的三個(gè)時(shí)期是:柴薪時(shí)期、煤炭時(shí)期、石油時(shí)期. ②有待開(kāi)發(fā)和利用的新能源主要指:太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能、核能. (3)人類與能源的關(guān)系。 能源的利用給人類的生活帶來(lái)了極大的改善.人類社會(huì)每一次重大的經(jīng)濟(jì)飛躍和產(chǎn)業(yè)革命,都與新的能源和動(dòng)力裝置的利用密切相關(guān).能源消耗的多少已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志.所以說(shuō)人類離不開(kāi)能源.但能源的大量使用會(huì)給環(huán)境帶來(lái)極大的破壞,例如人類在利用化石燃料的過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵,污染大氣,造成酸雨和溫室效應(yīng),對(duì)人類造成危害. (4)自然界中自發(fā)的能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性.

9、 ①熱量可以自發(fā)的由高溫物體傳遞給低溫物體,但不能自發(fā)的由低溫物體傳遞給高溫物體. ②冒出的煤煙和散開(kāi)的炭灰不可能又重新組合成一堆煤炭. ③散失到周圍環(huán)境中的內(nèi)能不能回收重新利用。 2.能量耗散 燃料燃燒時(shí)一旦把自己的熱量釋放出去,它就不會(huì)自動(dòng)聚集起來(lái)供人類重新利用;電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,它又通過(guò)燈泡轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能,熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能,我們也無(wú)法把這些內(nèi)能收集起來(lái)重新利用.這種現(xiàn)象叫做能量的耗散. 能量耗散表明,在能源的利用過(guò)程中,即在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中,能量在數(shù)量上并未減少,但在可利用的品質(zhì)上降低了,從便于利用的變成不便于

10、利用的了.這是能源危機(jī)更深層次的含意,也是“自然界的能量雖然守恒,但還是要節(jié)約能源”的根本原因. 要點(diǎn)四、功能原理 要點(diǎn)詮釋: 1. 功能原理 (1)推導(dǎo) 由動(dòng)能定理可以知道,外力對(duì)物體做功的代數(shù)和等于物體動(dòng)能的增量,可表示為: 這里說(shuō)的外力包括作用于物體上的全部做功的力,可分為三部分:①系統(tǒng)內(nèi)的重力、彈力;②系統(tǒng)內(nèi)的摩擦力;③系統(tǒng)外物體對(duì)它的作用力, 則動(dòng)能定理的表達(dá)式可寫(xiě)成 又因?yàn)椋? 所以有: 等式的右邊為動(dòng)能的增量跟勢(shì)能增量的和,即為物體機(jī)械能的增量, 即: (2)內(nèi)容表述 除重力、彈簧彈力以外力對(duì)物體做功的代數(shù)和,等于物體機(jī)械能的增量。這就是功能原理。即

11、 2、功能原理與動(dòng)能定理的區(qū)別與聯(lián)系 功能原理、動(dòng)能定理都是“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一功能實(shí)質(zhì)關(guān)系的體現(xiàn)。只是考查對(duì)象不同。動(dòng)能定理考查物體動(dòng)能的變化,功能原理考查物體機(jī)械能的變化,從功能原理我們知道,外力和系統(tǒng)內(nèi)摩擦力做功,將引起系統(tǒng)機(jī)械能的變化,但這機(jī)械能不會(huì)消失,也不能創(chuàng)生,只是由機(jī)械能和其它形式的能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。 【典型例題】 類型一、摩擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系 例1、如圖所示,A物體放在B物體的左側(cè),用水平恒力F將A拉至B的右端,第一次B固定在地面上,F(xiàn)做功為,產(chǎn)生熱量為,第二次讓B在光滑地面上自由滑動(dòng),F(xiàn)做功為,產(chǎn)生熱量為,則應(yīng)有( ) A. B

12、. C. D. F B A 思路點(diǎn)撥:本題牽扯到摩擦力做功問(wèn)題,需要考察摩擦力做功特點(diǎn),并輔助動(dòng)能定理加以解決。 解析:當(dāng)B固定時(shí), 當(dāng)B不固定時(shí),木塊A、B的位移關(guān)系為 對(duì)A應(yīng)用動(dòng)能定理: 對(duì)B應(yīng)用動(dòng)能定理: 兩式相加得 所以: 答案:A 總結(jié)升華:摩擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系: (1)靜摩擦力做功的過(guò)程中,只有機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)移(靜摩擦力起著傳遞機(jī)械能的作用),而沒(méi)有內(nèi)能的產(chǎn)生。 (2)滑動(dòng)摩擦力做功的過(guò)程中,能量的轉(zhuǎn)移由兩個(gè)方向,一是相互摩擦的物體之間機(jī)械能的轉(zhuǎn)移;二是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機(jī)械能的減少量,表達(dá)式為 舉一反三

13、【變式】在一光滑的水平面上有一長(zhǎng)木板,質(zhì)量為M,板足夠長(zhǎng)。一質(zhì)量為m、速度為的小滑塊滑上長(zhǎng)木板,最后獲得共同速度,此時(shí)長(zhǎng)木板移動(dòng)了的距離,滑塊在木板上移動(dòng)了的距離,求此過(guò)程中產(chǎn)生的熱量是( ) A. B. C. D. 答案:ABC 解析:對(duì)M應(yīng)用動(dòng)能定理: 故A對(duì)。 對(duì)m應(yīng)用動(dòng)能定理: 故B選項(xiàng)正確。 由能量守恒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機(jī)械能的減少量,即,故C選項(xiàng)正確,D錯(cuò)誤。 類型二、功能關(guān)系的應(yīng)用 例2、面積很大的水池,水深為H,水面上浮著一正方體木塊,木塊邊長(zhǎng)為,且 a〈 H,密度為水的,質(zhì)量為,開(kāi)始時(shí),木塊靜止,有一半沒(méi)入水中,如圖

14、甲所示,現(xiàn)用力F將木塊緩慢地壓到池底,不計(jì)摩擦,求 (1)從開(kāi)始到木塊剛好完全沒(méi)入水的過(guò)程中,力F所做的功。 (2)若將該木塊放在底面為正方形(邊長(zhǎng)為a)的盛水足夠深的長(zhǎng)方體容器中,開(kāi)始水面靜止時(shí),水高也為H,如圖乙所示,現(xiàn)用一個(gè)向下的力F'將木塊緩慢地壓到容器底部,若水不會(huì)從容器中溢出,不計(jì)摩擦。求全過(guò)程F'所做的功。 圖甲 H a 圖乙 H 思路點(diǎn)撥:此題考察變力做功問(wèn)題,變力做功一是應(yīng)用動(dòng)能定理可以求出,再就是可以根據(jù)功能關(guān)系來(lái)求出,在本題我們應(yīng)用功能關(guān)系來(lái)求解。 解析:(1)木塊靜止,有一半沒(méi)入水中,所以有= 解得= 因水池面積很大,可忽略因木塊壓入水中所引起

15、的水深變化,木塊剛好完全沒(méi)入水中時(shí),圖中原來(lái)處于劃斜線區(qū)域的水被排開(kāi),結(jié)果等效于使這部分水平鋪于水面,這部分水的質(zhì)量為m,其勢(shì)能的改變量為: 木塊勢(shì)能的改變量為: 根據(jù)功能關(guān)系知力F所做的功: (2) 因容器水面面積為2a2,只是木塊底面積的2倍,不可忽略因木塊壓入水中所引起的水深變化, 木塊向下壓,水面就升高,木塊剛好完全沒(méi)入水中時(shí),圖乙中原來(lái)處于下方劃斜線區(qū)域的水被排開(kāi)到上方劃斜線區(qū)域。由于木塊橫截面積是容器的1/2,由體積關(guān)系有2a2H+ a2=2 a2H′,即2H+=2H′ 解得H′=H+,所以△H=H′-H= 所以當(dāng)木塊上底面與水面平齊時(shí),水面上升a/4,木塊下

16、降a/4,也就是說(shuō)木塊下降a/4,同時(shí)把它新占據(jù)的下部V/4體積的水重心升高3a/4,這部分水的質(zhì)量為/2,其勢(shì)能的改變量為: 木塊勢(shì)能的改變量為: 由功能關(guān)系可得這一階段壓力所做的功 壓力繼續(xù)把木塊壓到容器底部,在這一階段,木塊重心下降,同時(shí)底部被木塊所占空間的水重心升高,這部分水的質(zhì)量為2m,其勢(shì)能的改變量為: 木塊勢(shì)能的改變量為: 由功能關(guān)來(lái)自系可得這一階段壓力所做的功 整個(gè)過(guò)程壓力做的總功為: 總結(jié)升華:用功能關(guān)系時(shí)解題,一是注意前后能量的變化,二是注意都是哪些力做了功,分別做的什么功,最后的總功是多少。 舉一反三 【高清課程:能量守恒定律與能源 例題4

17、】 【變式】在水平地面上平鋪n塊磚,每塊磚的質(zhì)量為m,厚度為h,如將磚一塊一塊地疊放起來(lái),至少做多少功? 【答案】 類型三、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律 例3、行駛中的汽車制動(dòng)后滑行一段距離,最后停下;流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰;降落傘在空中勻速下降。上述不同現(xiàn)象所包含的相同物理過(guò)程是( ) A.物體克服阻力做功 B.物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 C.物體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 D.物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 思路點(diǎn)撥:此題考察學(xué)生綜合分析能力,從若干不同的現(xiàn)象中分析找出相同的規(guī)律。 解析:汽車主要是制動(dòng)阻力,流星、降落傘是空氣阻力,因而物體都是克服阻

18、力做功,A對(duì);三個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,汽車是動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能,流星、降落傘是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能,總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能,D對(duì)。 答案:AD 總結(jié)升華:自然界中各種形式的能之間都可以相互轉(zhuǎn)化,但在轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有方向性。 舉一反三 【高清課程:能量守恒定律與能源 例題1】 【變式】一小孩從公園中粗糙的滑梯上自由加速滑下,其能量的變化情況是(  ) A.重力勢(shì)能減小,動(dòng)能不變,機(jī)械能減小,總能量減小 B.重力勢(shì)能減小,動(dòng)能增加,機(jī)械能減小,總能量不變 C.重力勢(shì)能減小,動(dòng)能增加,機(jī)械能增加,總能量增加 D.重力勢(shì)能減小,動(dòng)能增加,機(jī)械能守恒,總能量不變 【答案】

19、B 類型四、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的應(yīng)用 例4、飛機(jī)場(chǎng)上運(yùn)送行李的裝置為一水平放置的環(huán)形傳送帶,傳送帶的總質(zhì)量為M,其俯視圖如圖所示?,F(xiàn)開(kāi)啟電動(dòng)機(jī),傳送帶達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行的速度后,將行李依次輕輕放到傳送帶上。若有n件質(zhì)量均為m的行李需通過(guò)傳送帶運(yùn)送給旅客。假設(shè)在轉(zhuǎn)彎處行李與傳送帶無(wú)相對(duì)滑動(dòng),忽略皮帶輪、電動(dòng)機(jī)損失的能量。求從電動(dòng)機(jī)開(kāi)啟,到運(yùn)送完行李需要消耗的電能為多少? 思路點(diǎn)撥:在此問(wèn)題中必須知道“需要消耗的電能”分別是什么,都是轉(zhuǎn)化為哪幾種形式的能量了,分別轉(zhuǎn)化了多少,是我們解題的關(guān)鍵。 解析:設(shè)行李與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,則傳送帶與行李間由于摩擦產(chǎn)生的總熱量 由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得:

20、 又 聯(lián)立解得: 由能量守恒得: 所以: 總結(jié)升華:在傳送帶運(yùn)送行李的過(guò)程中,消耗的電能分成了三部分,一部分是傳送帶的動(dòng)能,一部分是行李的動(dòng)能,還有一部分是由于行李和傳送帶之間的摩擦轉(zhuǎn)化的內(nèi)能,這一部分在解題時(shí)容易忽視,在解決問(wèn)題時(shí)要注意。 舉一反三 【變式1】如圖所示,繃緊的傳送帶與水平面間的夾角=30°,傳送帶在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下,始終保持v =2m/s的速率運(yùn)行. 現(xiàn)把一質(zhì)量為m =10kg的工件(可看為質(zhì)點(diǎn))輕輕放在傳送帶的底端,經(jīng)時(shí)間t=1.9s,工件被傳送到h =1.5m的高處,取g =10m/s2求: (1)工件與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù); (2)電動(dòng)機(jī)由于傳送工件多消

21、耗的電能. 解析:(1)圖中斜面長(zhǎng) 設(shè)工件經(jīng)時(shí)間t1速度達(dá)到v,做勻加速運(yùn)動(dòng)的位移 工件速度達(dá)v后做勻速運(yùn)動(dòng)的位移為 勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度 工件受的支持力 由牛頓第二定律,有 解得動(dòng)摩擦因數(shù) (2)在時(shí)間t1內(nèi): 皮帶運(yùn)動(dòng)位移 工件箱對(duì)皮帶位移 摩擦發(fā)熱 工件增加的動(dòng)能 工件增加的勢(shì)能 電動(dòng)機(jī)多消耗的電能 解得W=230J 【高清課程:能量守恒定律與能源 例題6】 【變式2】某地平均風(fēng)速為5 m/s,已知空氣密度是1.2 kg/m3,有一風(fēng)車,它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為12 m的圓面.如果這個(gè)風(fēng)車能將

22、圓面內(nèi)10%的氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑒t該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大? 【答案】3.4 kW. 類型五、能源和能量耗散 例5、以下說(shuō)法正確的是( ) A.煤、石油、天然氣等燃料最初來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能 B.汽油是一種清潔能源 C.水能是可再生能源 D.煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的 思路點(diǎn)撥:此題考察能源與環(huán)境問(wèn)題 解析:煤、石油、天然氣等燃料是動(dòng)、植物轉(zhuǎn)化成的,其來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能,A正確;汽油燃料會(huì)引起一些化合物的產(chǎn)生,導(dǎo)致有毒氣體的生成,B錯(cuò);水源是可再生能源,故C正確;煤、石油等儲(chǔ)存量是有限的,是不可再生能源,故D錯(cuò)誤。 答案:AC 總結(jié)升華:太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)取之不盡、用之不竭的最大能源。 舉一反三 【變式】出行是人們工作生活中必不可少的環(huán)節(jié),出行的工具五花八門,使用的能源也各不相同.自行車、電動(dòng)自行車、普通汽車消耗能量的類型分別是( ) ①生物能 ②核能 ③電能 ④太陽(yáng)能 ⑤化學(xué)能 A.①④⑤ B.①③⑤ C.①②③ D.①③④ 【答案】B 【解析】人騎自行車是將生物能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;電動(dòng)自行車是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;普通汽車是將汽油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,所以B選項(xiàng)正確.

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