2022年新課標(biāo)高中物理模型與方法08 水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)模型學(xué)生版_第1頁
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文檔來源網(wǎng)絡(luò)整理侵權(quán)必刪PAGE1專題08水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)模型目錄【模型一】圓錐擺模型 1【模型二】圓錐斗、圓碗模型 8【模型三】火車轉(zhuǎn)彎模型 10【模型四】水平路面轉(zhuǎn)彎模型 12【模型五】圓盤模型 15【模型一】圓錐擺模型1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn):一根質(zhì)量和伸長可以不計(jì)的輕細(xì)線,上端固定,下端系一個(gè)可以視為質(zhì)點(diǎn)的擺球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),細(xì)繩所掠過的路徑為圓錐表面。2.受力特點(diǎn):擺球質(zhì)量為,只受兩個(gè)力即豎直向下的重力和沿?cái)[線方向的拉力。兩個(gè)力的合力,就是擺球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,如圖所示(也可以理解為拉力的豎直分力與擺球的重力平衡,的水平分力提供向心力)。4.運(yùn)動(dòng)特點(diǎn):擺長為,擺線與豎直方向的夾角為的圓錐擺,擺球做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心是O,圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是向心力擺線的拉力【討論】:(1)當(dāng)擺長一定,擺球在同一地點(diǎn)、不同高度的水平面內(nèi)分別做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),據(jù)可知,若角速度越大,則越大,擺線拉力也越大,向心加速度也越大,線速度=也越大。結(jié)論是:同一圓錐擺,在同一地點(diǎn),若越大,則擺線的拉力越大,向心力越大,向心加速度也越大,轉(zhuǎn)動(dòng)的越快,運(yùn)動(dòng)的也越快,。(2)當(dāng)為定值時(shí)(為擺球的軌道面到懸點(diǎn)的距離h,即圓錐擺的高度),擺球的質(zhì)量相等、擺長不等的圓錐擺若在同一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則擺線拉力,向心力,向心加速度,角速度,線速度。結(jié)論是:在同一地點(diǎn),擺球的質(zhì)量相等、擺長不等但高度相同的圓錐擺,轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢相等,但角大的圓錐擺,擺線的拉力大,向心力大,向心加速度大,運(yùn)動(dòng)得快。4.多繩圓錐擺問題隨角速度增大,兩繩的拉力如何變化?【模型演練1】.(多選)(2020·四川成都七中5月測試)天花板下懸掛的輕質(zhì)光滑小圓環(huán)P可繞過懸掛點(diǎn)的豎直軸無摩擦地旋轉(zhuǎn).一根輕繩穿過P,兩端分別連接質(zhì)量為m1和m2的小球A、B(m1≠m2).設(shè)兩球同時(shí)做如圖6所示的圓錐擺運(yùn)動(dòng),且在任意時(shí)刻兩球均在同一水平面內(nèi),則()A.兩球運(yùn)動(dòng)的周期相等B.兩球的向心加速度大小相等C.球A、B到P的距離之比等于m2∶m1D.球A、B到P的距離之比等于m1∶m2【模型演練2】(多選)(2020·山東濟(jì)南市歷城二中一模)如圖所示,金屬塊Q放在帶光滑小孔的水平桌面上,一根穿過小孔的不可伸長的細(xì)線,上端固定在Q上,下端拴一個(gè)小球.小球在某一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)(圓錐擺),細(xì)線與豎直方向成30°角(圖中P位置).現(xiàn)使小球在更高的水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng),細(xì)線與豎直方向成60°角(圖中P′位置).兩種情況下,金屬塊Q都靜止在桌面上的同一點(diǎn),則后一種情況與原來相比較,下面說法正確的是()A.Q受到桌面的靜摩擦力大小不變B.小球運(yùn)動(dòng)的角速度變大C.細(xì)線所受的拉力之比為2∶1D.小球的向心力大小之比為3∶1【模型演練3】(2020·山東濱州二模)(多選)如圖所示,置于豎直面內(nèi)的光滑金屬圓環(huán)半徑為r,質(zhì)量為m的帶孔小球穿于環(huán)上,同時(shí)有一長為r的細(xì)繩一端系于圓環(huán)最高點(diǎn),另一端系小球,當(dāng)圓環(huán)以角速度ω(ω≠0)繞豎直直徑轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)()A.細(xì)繩對小球的拉力可能為零B.細(xì)繩和金屬圓環(huán)對小球的作用力大小可能相等C.細(xì)繩對小球拉力與小球的重力大小不可能相等D.當(dāng)ω=eq\r(\f(2g,r))時(shí),金屬圓環(huán)對小球的作用力為零【模型演練4】(多選)(2021·河南示范性高中聯(lián)考)如圖所示,A、B兩小球用一根輕繩連接,輕繩跨過圓錐筒頂點(diǎn)處的光滑小定滑輪,圓錐筒的側(cè)面光滑。當(dāng)圓錐筒繞豎直對稱軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),兩球都位于筒側(cè)面上,且與筒保持相對靜止,小球A到頂點(diǎn)O的距離大于小球B到頂點(diǎn)O的距離,則下列判斷正確的是()A.A球的質(zhì)量大B.B球的質(zhì)量大C.A球?qū)A錐筒側(cè)面的壓力大D.B球?qū)A錐筒側(cè)面的壓力大【模型演練5】(2020·蘭州質(zhì)檢)如圖所示,轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于光滑水平面,交點(diǎn)O的上方h(A點(diǎn))處固定細(xì)繩的一端,細(xì)繩的另一端拴接一質(zhì)量為m的小球B,繩長l大于h,轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)小球在光滑水平面上做圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω逐漸增大時(shí),下列說法正確的是()A.小球始終受三個(gè)力的作用B.細(xì)繩上的拉力始終保持不變C.要使球不離開水平面,角速度的最大值為eq\r(\f(g,h))D.若小球飛離了水平面,則角速度可能為eq\r(\f(g,l))【模型演練6】(多選)質(zhì)量為m的小球由輕繩a和b分別系于一輕質(zhì)細(xì)桿的A點(diǎn)和B點(diǎn),如圖所示,繩a與水平方向成θ角,繩b在水平方向且長為l,當(dāng)輕桿繞軸AB以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則下列說法正確的是()A.a(chǎn)繩的張力不可能為零B.a(chǎn)繩的張力隨角速度的增大而增大C.當(dāng)角速度ω>eq\r(\f(gcotθ,l))時(shí),b繩將出現(xiàn)彈力D.若b繩突然被剪斷,則a繩的彈力一定發(fā)生變化【模型演練7】(2020·海南??谝恢懈呷驴?如圖所示,內(nèi)壁光滑的豎直圓桶,繞中心軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng),一物塊用細(xì)繩系著,繩的另一端系于圓桶上表面圓心,且物塊貼著圓桶內(nèi)表面隨圓桶一起轉(zhuǎn)動(dòng),則()A.繩的張力可能為零B.桶對物塊的彈力不可能為零C.隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度增大,繩的張力保持不變D.隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度增大,繩的張力一定增大【模型演練8】(2021屆重慶市實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)校高三模擬)如圖所示,兩段長均為L的輕繩共同系住一質(zhì)量為m的小球,另一端固定在等高的兩點(diǎn)O1、O2,兩點(diǎn)的距離也為L,在最低點(diǎn)給小球一個(gè)水平向里的初速度v0,小球恰能在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),重力加速度為g,則()A.小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的速度B.小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的速度C.小球在最低點(diǎn)時(shí)每段繩子的拉力D.小球在最低點(diǎn)時(shí)每段繩子的拉力【模型演練9】.質(zhì)量分別為M和m的兩個(gè)小球,分別用長2l和l的輕繩拴在同一轉(zhuǎn)軸上,當(dāng)轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),拴質(zhì)量為M和m的小球懸線與豎直方向夾角分別為α和β,如圖所示,則 ()A.cosα=eq\f(cosβ,2) B.cosα=2cosβC.tanα=eq\f(tanβ,2) D.tanα=tanβ【模型演練10】.(2020·山東德州月考)一豎直桿上相距L的A、B兩點(diǎn)拴著一根不可伸長的輕繩,繩長1.4L,繩上套著一個(gè)光滑的小鐵環(huán),設(shè)法轉(zhuǎn)動(dòng)豎直桿,不讓繩纏繞在桿上,而讓小鐵環(huán)在某水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng),如圖所示.當(dāng)兩段繩成直角時(shí),求小鐵環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期.已知重力加速度為g.【模型二】圓錐斗、圓碗模型一.圓錐斗1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn):內(nèi)壁為圓錐的錐面,光滑,軸線垂直于水平面且固定不動(dòng),可視為質(zhì)點(diǎn)的小球緊貼著內(nèi)壁在圖中所示的水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。2.受力特點(diǎn):小球質(zhì)量為,受兩個(gè)力即豎直向下的重力和垂直內(nèi)壁沿斜向上方向的支持力。兩個(gè)力的合力,就是擺球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,如圖所示θ·3.運(yùn)動(dòng)特點(diǎn):軸線與圓錐的母線夾角,小球的軌道面距地面高度,圓周軌道的圓心是O,軌道半徑是,則有θ·向心力.支持力.由此得,,。結(jié)論是:在同一地點(diǎn),同一錐形斗內(nèi)在不同高度的水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的同一小球,支持力大小相等,向心力大小相等,向心加速度大小相等,若高度越高,則轉(zhuǎn)動(dòng)的越慢,而運(yùn)動(dòng)的越快。二.圓碗受力分析運(yùn)動(dòng)分析正交分解x軸指向心列方程求解規(guī)律mgmgθRFNmgmgFNθxyx:FNsinθ=mω2ry:FNcosθ=mgr=RsinθABABCan=gtanθ;①同角同向心加速度(B和C)②同高同角速度(A和C)【模型演練1】(2021·東北師大等聯(lián)盟學(xué)校檢測)(多選)如圖所示,兩個(gè)圓錐內(nèi)壁光滑,豎直放置在同一水平面上,圓錐母線與豎直方向夾角分別為30°和60°,有A、B兩個(gè)質(zhì)量相同的小球在兩圓錐內(nèi)壁等高處做勻速圓周運(yùn)動(dòng),下列說法正確的是()A.A、B球受到的支持力之比為eq\r(3)∶3B.A、B球的向心力之比為eq\r(3)∶1C.A、B球運(yùn)動(dòng)的角速度之比為3∶1D.A、B球運(yùn)動(dòng)的線速度之比為1∶1【模型演練2】(2020·江蘇宿遷市2月調(diào)研)如圖所示,半徑為R的半球形容器固定在水平轉(zhuǎn)臺上,轉(zhuǎn)臺繞過容器球心O的豎直軸線以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng).質(zhì)量不同的小物塊A、B隨容器轉(zhuǎn)動(dòng)且相對器壁靜止,A、B和球心O點(diǎn)連線與豎直方向的夾角分別為α和β,α>β,則()A.A的質(zhì)量一定小于B的質(zhì)量B.A、B受到的摩擦力可能同時(shí)為零C.若A不受摩擦力,則B受沿容器壁向上的摩擦力D.若ω增大,A、B受到的摩擦力可能都增大【模型演練3】(2021廣西欽州市重點(diǎn)高中摸底考試)一個(gè)內(nèi)壁光滑的圓錐筒的軸線垂直于水平面,圓錐筒固定不動(dòng),有兩個(gè)質(zhì)量相同的小球A和B緊貼著內(nèi)壁分別在圖中所示的水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則()A、球A的線速度必定等于球B的線速度B、球A的角速度必定小于球B的角速度C、球A的運(yùn)動(dòng)周期必定小于球B的運(yùn)動(dòng)周期D、球A對筒壁的壓力必定大于球B對筒壁的壓力【模型三】火車轉(zhuǎn)彎模型特別注意:轉(zhuǎn)彎的向心力是水平的特別注意:轉(zhuǎn)彎的向心力是水平的在傾斜軌道上轉(zhuǎn)彎:①設(shè)計(jì)時(shí)速v:mgtanθ=mv2/R得:。因?yàn)棣冉呛苄?,所以tanθ=sinθ=h/l,則②若火車經(jīng)過彎道時(shí)的速度

,外軌將受到擠壓。③若火車經(jīng)過彎道時(shí)的速度

,內(nèi)軌將受到擠壓。【模型演練1】(多選)(2020·江蘇省如東縣第一次檢測)在修筑鐵路時(shí),彎道處的外軌會略高于內(nèi)軌。如圖所示,當(dāng)火車以規(guī)定的行駛速度轉(zhuǎn)彎時(shí),內(nèi)、外軌均不會受到輪緣的擠壓,設(shè)此時(shí)的速度大小為v,重力加速度為g,兩軌所在面的傾角為θ,則()A.該彎道的半徑r=eq\f(v2,gtanθ)B.當(dāng)火車質(zhì)量改變時(shí),規(guī)定的行駛速度大小不變C.當(dāng)火車速率大于v時(shí),內(nèi)軌將受到輪緣的擠壓D.當(dāng)火車速率小于v時(shí),外軌將受到輪緣的擠壓【模型演練2】(2021·四川宜賓市第二次診斷)(多選)鐵路轉(zhuǎn)彎處的彎道半徑r是根據(jù)地形決定的。彎道處要求外軌比內(nèi)軌高,其內(nèi)、外軌高度差h的設(shè)計(jì)不僅與r有關(guān),還與火車在彎道上的行駛速率v有關(guān)。下列說法正確的是()A.速率v一定時(shí),r越小,要求h越大B.速率v一定時(shí),r越大,要求h越大C.半徑r一定時(shí),v越小,要求h越大D.半徑r一定時(shí),v越大,要求h越大【模型演練3】.(多選)(2020·天津市南開區(qū)下學(xué)期二模)飛機(jī)飛行時(shí)除受到發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和空氣阻力外,還受到重力和機(jī)翼的升力,機(jī)翼的升力垂直于機(jī)翼所在平面向上,當(dāng)飛機(jī)在空中盤旋時(shí)機(jī)翼傾斜(如圖所示),以保證重力和機(jī)翼升力的合力提供向心力.設(shè)飛機(jī)以速率v在水平面內(nèi)做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)翼與水平面成θ角,飛行周期為T.則下列說法正確的是()A.若飛行速率v不變,θ增大,則半徑R增大B.若飛行速率v不變,θ增大,則周期T增大C.若θ不變,飛行速率v增大,則半徑R增大D.若飛行速率v增大,θ增大,則周期T可能不變【模型四】水平路面轉(zhuǎn)彎模型(1).汽車在水平路面上轉(zhuǎn)彎時(shí),不能靠車身傾斜來實(shí)現(xiàn)。它所需要的向心力只能來自輪胎與路面之間的側(cè)向摩擦力。(2).最大安全轉(zhuǎn)彎速度vm:最大靜摩擦力近似等于滑動(dòng)摩擦力,根據(jù)μmg=mvm2/r,得vm=。(3).當(dāng)速度小于vm時(shí):側(cè)向靜摩擦力提供向心力,f=mvm2/r?!灸P脱菥?】(2021·湖北荊州市高三上學(xué)期質(zhì)量檢測)如圖所示,一質(zhì)量為2.0×103kg的汽車在水平公路上行駛,路面對輪胎的徑向最大靜摩擦力為1.4×104N,當(dāng)汽車經(jīng)過半徑為80m的彎道時(shí),下列判斷正確的是()A.汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)所受的力有重力、彈力、摩擦力和向心力B.汽車轉(zhuǎn)彎的速度為20m/s時(shí)所需的向心力為1.4×104NC.汽車轉(zhuǎn)彎的速度為20m/s時(shí)汽車會發(fā)生側(cè)滑D.汽車能安全轉(zhuǎn)彎的向心加速度不超過7.0m/s2【模型演練2】(多選)(2020·安徽合肥市第二次質(zhì)檢)如圖所示為運(yùn)動(dòng)員在水平道路上轉(zhuǎn)彎的情景,轉(zhuǎn)彎軌跡可看成一段半徑為R的圓弧,運(yùn)動(dòng)員始終與自行車在同一平面內(nèi).轉(zhuǎn)彎時(shí),只有當(dāng)?shù)孛鎸嚨淖饔昧νㄟ^車(包括人)的重心時(shí),車才不會傾倒.設(shè)自行車和人的總質(zhì)量為M,輪胎與路面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,重力加速度為g.下列說法正確的是()A.車受到地面的支持力方向與車所在平面平行B.轉(zhuǎn)彎時(shí)車不發(fā)生側(cè)滑的最大速度為eq\r(μgR)C.轉(zhuǎn)彎時(shí)車與地面間的靜摩擦力一定為μMgD.轉(zhuǎn)彎速度越大,車所在平面與地面的夾角越小【模型演練3】(2020·四川遂寧市三診)如圖所示,圖(a)中甲汽車在水平路面上轉(zhuǎn)彎行駛,圖(b)中乙汽車在傾斜路面上轉(zhuǎn)彎行駛.關(guān)于兩輛汽車的受力情況,以下說法正確的是()A.兩車都受到路面豎直向上的支持力作用B.兩車都一定受平行路面指向彎道內(nèi)側(cè)的摩擦力C.甲車可能不受平行路面指向彎道內(nèi)側(cè)的摩擦力D.乙車可能受平行路面指向彎道外側(cè)的摩擦力【模型演練4】(2021屆廣東省陽江市高三模擬)港珠澳大橋總長約55公里,是世界上總體跨度最長、鋼結(jié)構(gòu)橋體最長、海底沉管隧道最長的跨海大橋,也是世界公路建設(shè)史上技術(shù)最復(fù)雜、施工難度最高、工程規(guī)模最龐大的橋梁.如圖所示的路段是一段半徑約為的圓弧形彎道,路面水平,路面對輪胎的徑向最大靜摩擦力為正壓力的0.8倍,下雨時(shí)路面被雨水淋濕,路面對輪胎的徑向最大靜摩擦力變?yōu)檎龎毫Φ?.4倍,若汽車通過圓弧形彎道時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),汽車可視為質(zhì)點(diǎn),取重力加速度,下列說法正確的是()A.汽車以的速率通過此圓弧形彎道時(shí)的向心加速度為B.汽車以的速率通過此圓弧形彎道時(shí)的角速度為C.晴天時(shí),汽車以的速率可以安全通過此圓弧形彎道D.下雨時(shí),汽車以的速率通過此圓弧形彎道時(shí)將做離心運(yùn)動(dòng)【模型五】圓盤模型AABAABAABAABAABAABf靜=mω2rω臨=與質(zhì)量無關(guān)輕繩出現(xiàn)拉力臨界ω1=;AB離心的臨界:隔離A:T=μmAg;隔離B:T+μmBg=mBω22rB;隔離A:μmAg-T=mAω22rA;隔離B:T+μmBg=mBω22rB;隔離A:T-μmAg=mAω22rA;隔離B:T+μmBg=mBω22rB;整體:AB滑動(dòng)ω臨2=()①μA≥μB,ω臨1=①ωmin=ωω2Ofμmgω2ω2OT出現(xiàn)T滑動(dòng)ω2OfBμmBgμmAgAωω2OfBμmBgμmAgA②μA<μB,ω臨2=②ωmax=【模型演練1】(多選)如圖所示,兩個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的、相同的木塊A和B放在轉(zhuǎn)盤上,兩者用長為L的細(xì)繩連接,木塊與轉(zhuǎn)盤的最大靜摩擦力均為各自重力的K倍,A放在距離轉(zhuǎn)軸L處,整個(gè)裝置能繞通過轉(zhuǎn)盤中心的轉(zhuǎn)軸O1O2轉(zhuǎn)動(dòng),開始時(shí),繩恰好伸直但無彈力,現(xiàn)讓該裝置從靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng),使角速度緩慢增大,以下說法正確的是()A.當(dāng)ω>eq\r(\f(2Kg,3L))時(shí),A、B相對于轉(zhuǎn)盤會滑動(dòng)B.當(dāng)ω>eq\r(\f(Kg,2L)),繩子一定有彈力C.ω在eq\r(\f(Kg,2L))<ω<eq\r(\f(2Kg,3L))范圍內(nèi)增大時(shí),B所受摩擦力變大D.ω在0<ω<eq\r(\f(2Kg,3L))范圍內(nèi)增大時(shí),A所受摩擦力一直變大【模型演練2】(多選)(2020·重慶市江津中學(xué)月考)摩擦傳動(dòng)是傳動(dòng)裝置中的一個(gè)重要模型,如圖所示的兩個(gè)水平放置的輪盤靠摩擦力傳動(dòng),其中O、O′分別為兩輪盤的軸心,已知兩個(gè)輪盤的半徑比r甲∶r乙=3∶1,且在正常工作時(shí)兩輪盤不打滑.今在兩輪盤上分別放置兩個(gè)同種材料制成的完全相同的滑塊A、B,兩滑塊與輪盤間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同,兩滑塊距離軸心O、O′的間距RA=2RB.若輪盤乙由靜止開始緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)起來,且轉(zhuǎn)速逐漸增加,則下列敘述正確的是()A.滑塊A和B在與輪盤相對靜止時(shí),角速度之比為ω甲∶ω乙=1∶3B.滑塊A和B在與輪盤相對靜止時(shí),向心加速度的比值為aA∶aB=2∶9C.轉(zhuǎn)速增加后滑塊B先發(fā)生滑動(dòng)D.轉(zhuǎn)速增加后兩滑塊一起發(fā)生滑動(dòng)【模型演練3】(多選)(2020·廣東省惠州市第二次調(diào)研)如圖所示,在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的水平圓盤上,沿半徑方向放著用細(xì)繩相連的質(zhì)量均為m的兩個(gè)物體A和B,它們分居圓心兩側(cè),與圓心距離分別為RA=r,RB=2r,與盤間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ相同,當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速緩慢加快到兩物體剛好要發(fā)生滑動(dòng)時(shí),最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,則下列說法正確的是()A.此時(shí)繩子張力為3μmgB.此時(shí)A所受摩擦力方向沿半徑指向圓內(nèi)C.此時(shí)圓盤的角速度為eq\r(\f(2μg,r))D.此時(shí)燒斷繩子,A仍相對盤靜止,B將做離心運(yùn)動(dòng)【模型演練4】(2021·吉林省吉林市第二次調(diào)研)如圖所示,兩個(gè)相同的小木塊A和B(均可看做質(zhì)點(diǎn))

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