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文檔簡介
2023北師大版新教材高中數(shù)學(xué)選擇性必修第一冊
綜合拔高練
五年高考練
考點(diǎn)1用空間向量判斷立體幾何中的位置關(guān)系
1.(多選)(2021新高考I,12)在正三棱柱ABC—ABC中,AB=AA1=1,點(diǎn)P滿足
前=入阮+P西,其中入£[0,1],以£[0,1],則()
A.當(dāng)人=1時,AABiP的周長為定值
B.當(dāng)u=l時,三棱錐P-A.BC的體積為定值
C.當(dāng)人三時,有且僅有一個點(diǎn)P,使得A,P±BP
D.當(dāng)口三時,有且僅有一個點(diǎn)P,使得A0_L平面AB,P
2.(2019江蘇,16)如圖,在直三棱柱ABC-AB3中,D,E分別為BC,AC的中
點(diǎn),AB=BC.求證:
⑴AB〃平面DEG;
(2)BE±CiE.
考點(diǎn)2用空間向量求直線與平面所成的角
3.(2021浙江,19)如圖,在四棱錐P-ABCD中,底面ABCD是平行四邊
形,ZABC=120°,AB=1,BC=4,PA=V15,M,N分別為BC,PC的中點(diǎn),PD±DC,PM±MD.
⑴證明:AB_LPM;
⑵求直線AN與平面PDM所成角的正弦值.
4.(2020新高考I,20)如圖,四棱錐P-ABCD的底面為正方形,PDJ_底面ABCD.設(shè)
平面PAD與平面PBC的交線為1.
(1)證明:1J_平面PDC;
(2)已知PD=AD=1,Q為1上的點(diǎn),求PB與平面QCD所成角的正弦值的最大值.
R
考點(diǎn)3用空間向量求平面與平面所成的角
5.(2021新高考I,20)如圖,在三棱錐A-BCD中,平面ABD_L平面BCD,AB=AD,0為
BD的中點(diǎn).
⑴證明:0A_LCD;
(2)若△OCD是邊長為1的等邊三角形,點(diǎn)E在棱AD上,DE=2EA,且二面角E-BC-D
的大小為45°,求三棱錐A-BCD的體積.
6.(2021新高考II,19)在四棱錐Q-ABCD中,底面ABCD是正方形,若
AD=2,QD=QA=V5,QC=3.
⑴證明:平面QAD_L平面ABCD;
(2)求二面角B-QD-A的余弦值.
考點(diǎn)4用空間向量求空間距離
7.(2019課標(biāo)全國I文,19)如圖,直四棱柱ABCD-ABCD的底面是菱
形,AAF4,AB=2,ZBAD=60°,E,M,N分別是BC,BBbA,D的中點(diǎn).
⑴證明:MN〃平面3DE;
(2)求點(diǎn)C到平面C.DE的距離.
考點(diǎn)5用空間向量解決探索性問題
8.(2019北京16)如圖,在四棱錐P-ABCD中,PA_L平面
ABCD,AD±CD,AD〃BC,PA=AD=CD=2,BC=3.E為PD的中點(diǎn),點(diǎn)F在PC上,且詈總
⑴求證:CD_L平面PAD;
(2)求二面角F-AE-P的余弦值;
⑶設(shè)點(diǎn)G在PB上,且登=|.判斷直線AG是否在平面AEF內(nèi),說明理由.
PD3
三年模擬練
應(yīng)用實踐
1.(2020浙江杭州四中期中)已知直三棱柱ABC-A'B'C'的底面是正三角形,側(cè)棱
長與底面邊長相等,P是側(cè)棱AA'上的點(diǎn)(不含端點(diǎn)).記直線PB與直線AC所成的
角為a,直線PB與直線B'C所成的角為B,二面角P-B'B-C的平面角為Y,則
()
A.a>p>yB.a<3<y
C.a>y>pD.0>a>y
2.(多選)(2022湖北襄陽重點(diǎn)高中月考)已知正方體ABCD-ABCD的棱長為2,M
是AAi的中點(diǎn),過點(diǎn)B的平面a滿足CM,平面a,則下列說法正確的有()
A.若P是線段CG上的動點(diǎn),則直線AP與平面a所成角的正弦值的取值范圍是
V3272'
.3'3.
B.點(diǎn)C到平面a的距離為:
C.平面a截正方體所得截面的面積等于g
D.平面a截正方體所得截面的形狀是平行四邊形
3.(多選)(2022黑龍江大慶鐵人中學(xué)月考)定義空間中兩個非零向量的一種運(yùn)算
a?b=|a||b|sin<a,b>,則以下結(jié)論中恒成立的有()
A.X(a?b)=(入a)?b(入W0)
B.a?b=b?a
C.(a+b)?c=(a?c)+(b?c)
D.若a=(xi,yi),b=(x2,y2),貝!Ja?b=|xiy2-x2yiI
4.(2022遼寧沈陽郊聯(lián)體月考)在正方體ABCD-A.B^.D,中,E,F分別為線段AB,AB
的中點(diǎn),0為四棱錐E-CDDC的外接球的球心,M,N分別是直線DDi,EF上的動點(diǎn),
記直線0C與MN所成的角為。,則當(dāng)9最小時,tan.
5.(2022重慶西南大學(xué)附屬中學(xué)檢測)如圖,在四棱錐S-ABCD中,底面ABCD是正
方形,SA_L底面ABCD,SA=AD,M是SB的中點(diǎn),AFLSC,且交SC于點(diǎn)F.
⑴求證:平面ACS_L平面AFM;
(2)求平面ADS與平面ACM所成二面角的平面角的正弦值.
6.(2021天津耀華中學(xué)暑假驗收)如圖,在四棱柱ABCD-A.B,C,D,中,側(cè)棱AA」底面
ABCD,AB〃CD,AB±AD,AD=CD=1,AA】=AB=2,E為AA1的中點(diǎn).
⑴證明:BCJ_CE;
(2)求二面角B「CE-G的平面角的正弦值;
⑶設(shè)點(diǎn)M在線段C,E上,且直線AM與平面ADDA所成角的正弦值是求線段AM
的長.
7.(2021河北衡水期中)如圖,在四邊形ABCD中,AB//CD,且
AB:BC:CD=3:2:2,ZABC=60°,E是線段AB上靠近點(diǎn)A的一個三等分點(diǎn),沿
DE將4ADE折起,使點(diǎn)A到達(dá)點(diǎn)Ai的位置,且A,C=BC=2.
⑴證明:平面ADEJ_平面BCD;
(2)求平面AiBE與平面AiCD所成二面角的平面角的余弦值.
8.(2021海南、山東等新高考地區(qū)期中備考)如圖,在多面體ABCDP中,AABC是
邊長為4的等邊三角形,PA=AC,BD=CD=2V2,PC=PB=4夜,E為BC的中點(diǎn),平面
BDC_L平面ABC.
⑴求證:DE〃平面PAC;
(2)線段BC上是否存在一點(diǎn)T,使得二面角T-DA-B為直二面角?若存在,試指出點(diǎn)
T的位置;若不存在,請說明理由.
C
答案與分層梯度式解析
五年高考練
1.BD選項A,如圖①所示,當(dāng)人=1時一,點(diǎn)P在線段CG上,設(shè)CP=x(0WxWl),
若x=0,貝IJZXABF即為△ABC,此時AABF的周長為2近+1;若x=l,貝ijZXABF即
為△ABC,此時△ABF的周長為2V2+1;若0<x<l,則PC,=l-x,
在RtAPCA中,PA=Vl+x2,
在RtAB,C,P中,PBF7I+(1-x)2=Vx2-2x+2,
而AB尸戊,所以AABF的周長為V^+,%2_2X+2+”+'2,不為定值,故選項A
錯誤;
選項B,當(dāng)u=l時,點(diǎn)P在線段BC上,
因為BC〃BC,BCQ平面ABC,BCc平面ABC,
所以B£〃平面ABC,
所以直線BC上的任何一點(diǎn)到平面A.BC的距離均相等,
所以三棱錐P-A.BC的體積為定值,故選項B正確;
取BC,BC的中點(diǎn)分別為0,0?連接001,A0,易知00」平面ABC,A0±BC,以
OB,0A,00i所在直線分別為x軸,y軸,z軸建立如圖②所示的空間直角坐標(biāo)系,
則B&0,0),A(0,-苧,0),A10,—手,1),選項C,當(dāng)入三時,點(diǎn)P在線段00」,
設(shè)P(0,0,z)(0<z<l),貝|布二(0,今z-1),麗=(q,O,z),若AIP±BP,貝IJ
?RP=0,
即z(z-l)=0,解得z=0或z=l,即當(dāng)入三時,存在兩個點(diǎn)P,使得AiP±BP,故選
項C錯誤;
選項D,當(dāng)u三時,點(diǎn)P在線段MN上(M,N分別是線段BBbCC)的中點(diǎn)),設(shè)
若AJB_L平面ABiP,則A,B±AP,則布?AP=0,
即&今-1)?;2)=2X+42=^,解得X=-p所以P(4,°D易驗證此時滿足
AiB_L平面AB.P,
所以當(dāng)u弓時,有且僅有一個點(diǎn)P,使得AB_L平面ABR故選項D正確.故選
BD.
2.證明⑴取AC的中點(diǎn)E.,連接EE,.
由題意得EC,EB,EEi兩兩垂直,以E為原點(diǎn),EC,EB,EEi所在直線分別為x軸、y
軸、z軸建立空間直角坐標(biāo)系,如圖.
設(shè)AC=2c,AB=l,AAi=a,
則E(0,0,0),B(0,71^72,0),D(],,0),
A1(-c,0,a),Bi(0,V1-c2,a),G(c,0,a),
所以41當(dāng)=(c,V1—c2,0),,0),
所以4血二2前,所以工K〃前,
所以AB〃ED.
因為EDc平面DEG,ABQ平面DEC,
所以AB〃平面DEC,_____
(2)由(1)得方=(0,VF777,0),鬲=(c,0,a),
所以而?EQ=0,所以旃_LM,
所以BE_LGE.
3.解析(1)證明:在△CDM中,DC=1,MC=2,ZDCM=60°,貝ijDM=V3,所以
CD±DM.
又因為CD±PD,所以CDJ_平面PDM.
因此CD±PM.
又因為AB〃CD,所以AB_LPM.
⑵如圖,以D為原點(diǎn),DM,DC所在直線分別為x,y軸,建立空間直角坐標(biāo)系D-
xyz.
則A(2V3,-2,0),C(0,1,0),M(8,0,0),設(shè)P(V3,0,z。),z0>0,
因為PA=V15,所以Zo=2V2,
故P(g,0,2V2),N(^,|,V2),
所以麗=(-手]閭,DP=(V3,0,2V2),DM=(V3,0,0).
設(shè)平面PDM的法向量為n=(x,y,z),
由伊?里=。,得[中x+2V2z=0,取甲(0,1,0)
1n,DM=0,lV3x=0,
設(shè)直線AN與平面PDM所成角至a,
所以sina=Icos<A/V,n>|=-^5>n|=—.
11|AN|?|n|6
因此,直線AN與平面PDM所成角的正弦值為半.
6
4.解析⑴證明:因為PD,底面ABCD,所以PD±AD.又底面ABCD為正方形,
所以AD±DC.因此AD_L平面PDC.
因為AD〃BC,ADQ平面PBC,
所以AD〃平面PBC.
由已知得1//AD,因此1_L平面PDC.
⑵以D為坐標(biāo)原點(diǎn),病的方向為x軸正方向,建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)
系,
則D(0,0,0),C(0,1,0),B(l,1,0),P(0,0,l),DC=(0,l,0),PS=(l,1,-1).
由(1)可設(shè)Q(a,0,1),則麗=(a,0,1).
設(shè)n=(x,y,z)是平面QCD的一個法向量,
則{僚::喉可取
n=(-1,0,a).
所以cos<n,PB>=-n,PB_-1-a
|n||PB|Vl+a2?V3,
設(shè)PB與平面QCD所成角為e,則sin。亭黑等J1+篇.
因為手J1+島*當(dāng)且僅當(dāng)a=l時等號成立,所以PB與平面QCD所成角
的正弦值的最大值為當(dāng)
5.解析⑴證明:在4ABD中,因為AB=AD,。為BD的中點(diǎn),所以A01BD,
又平面ABD_L平面BCD,平面ABDG平面BCD=BD,AOc平面ABD,所以AOL平面
BCD,
又CDc平面BCD,所以AO±CD.
(2)由OC=OD=OB得BC1CD,由(1)知AO_L平面BCD,以C為原點(diǎn),CD,CB,函的
方向分別為X軸、y軸、z軸的正方向建立空間直角坐標(biāo)系,如圖所示,則
C(0,0,0),B(0,V3,0),設(shè)A0=a.
則?,.尋(0,V3,0),北=(|,噂,£),設(shè)平面EBC的法向量為
n=(x,y,z),貝*皆一°,即「丫6’2令x=a,貝Uz=T,
U?CE=0,(x+/y+£z=0,
n=(a,0,-1),
易知平面BCD的一個法向量為m=(0,0,1),
由題可知Icos<m,n>|=|禹卜mq,
Aa=l,即A0=l.
=
*e?VA-BCD=~SABCD?A0-X-X1XV3X1=-^-,
故三棱錐A-BCD的體積為f.
6
6.解析⑴證明:取AD的中點(diǎn)E,連接QE,CE,則AE=DE=1.
由于QD=QA,故QELAD.
在RtAQAE中,QE力QgApJ(V5)2-12=2.
\?底面ABCD是正方形,,CD=AD=2,
在RtACDE中,CE=VfD2+DE2=V22+12=V5.
.,.在4QCEQE2+CE2=QC2,.,.QE±CE,
又CEnAD=E,CE、ADc平面ABCD,
,QEJL平面ABCD.
又QEu平面QAD,...平面QADJ_平面ABCD.
(2)建立空間直角坐標(biāo)系,如圖所示,
則B(2,T,0),Q(0,0,2),D(0,1,0),
.?.麗=(-2,1,2),前=(-2,2,0).
顯然,平面QAD的一個法向量為ni=(l,0,0),
設(shè)平面BQD的法向量為n2=(x,y,z),
n,BQ=0,=(-2x+y+2z=0,
則2=x=y=2z.
\-2x+2y=0
n2,BD=0
取”=(2,2,1).
設(shè)二面角B-QD-A的平面角為。,易知0為銳角,
則cos9=|cos<n?n2>|
7.解析(1)證明:?.?直四棱柱ABCD-A.B.C.D,的底面是菱
形,AAL4,AB=2,ZBAD=60°,E,M,N分別是BC,BBbA.D的中點(diǎn),
.?.DD」平面ABCD,DE±AD,
以D為原點(diǎn),DA,DE,DDi所在直線分別為x軸、y軸、z軸建立如圖所示的空間
直角坐標(biāo)系,
則M(l,0,2),N(l,0,2),D(0,0,0),E(0,V3,0),G(-1,V3,4),所以麗=(0,-
V3,0),西=(-1,V3,4),DE=(0,V3,0).
設(shè)平面C,DE的一個法向量為n=(x,y,z),
貝J?!?DQ=+V3y+4z=0,
In,DE=0,lV3y=0,
取z=l,則n=(4,0,1).
因為麗?n=0,所以而_Ln,又MNQ平面C,DE,
所以MN〃平面GDE.
(2)易知C(-l,V3,0),所以尻=(-1,V3,0),
而平面C,DE的一個法向量為n=(4,0,1),
所以點(diǎn)C到平面C,DE的距離d=^里右二察.
\n\V1717
8.解析(1)證明:因為PAJ_平面ABCD,所以PA±CD,
又因為AD±CD,所以CD,平面PAD.
⑵過A作AD的垂線交BC于點(diǎn)M.
因為PA_L平面ABCD,
所以PA±AM,PA1AD.
如圖,建立空間直角坐標(biāo)系,則A(0,0,0),B(2,-
l,0),C(2,2,0),D(0,2,0),P(0,0,2).
因為E為PD的中點(diǎn),
所以E(0,1,1).
所以荏=(0,1,1),同=(2,2,-2),而=(0,0,2).
所以兩三定=(1,*》前夕聲麗=(l,I,3
設(shè)平面AEF的一個法向量為n=(X,y,z),
n.AF-o(y+z=o,
則竺唧2J「_
n?AF=0,匕x+,y+§z=n0.
令z=l,則y=-l,x=-l,于是n=(-l,-1,1).
易得平面PAD的一個法向量為p=(l,0,0),
==-
所以cos<n,P>7|n7||pn|v3-
由題知,二面角F-AE-P為銳角,所以其余弦值為號.
⑶直線AG在平面AEF內(nèi).
因為點(diǎn)G在PB上,且器|,而=(2,-1,-2),所以而=|而
3,痔*+路&
由⑵知,平面AEF的一個法向量為n=(-1,-1,1).
所以萬?n=T+|+|=0.
所以直線AG在平面AEF內(nèi).
三年模擬練
1.D設(shè)直三棱柱ABC-A'B'C'的棱長為2,如圖,取BC的中點(diǎn)0,以0A,0B所在
直線分別為x軸、y軸建立如圖所示的空間直角坐標(biāo)系,
則A(V3,0,0),B(0,1,0),C(0,-1,0),B'(0,1,2),設(shè)P(V3,0,t)(0<t<2),
則麗=(-V3,1,-t),AC=(-V3,-l,0),阮二(0,-2,-2),
Acosa=|cos<麗,前>|」巴駕二廠川2:一¥匕
1'1\PB\\AC\2V3+l+t2V4+t22
cos2=13〈兩或小”焉含濟(jì)詈?春?
VtG(O,2),.-.MG[o,f),
/.cosP<cosa.
由題意得B'B±BC,B'B_LBA,則二面角P-B'B-C的平面角為NABC,則
y=ZABC=60°,
cosB<cosa今cos丫,「.B>a>y,故選D.
2.ABC以D為原點(diǎn),DA,DC,DD所在直線分別為x軸、y軸、z軸建立如圖所
示的空間直角坐標(biāo)系,
則A(2,0,0),B(2,2,0),C(0,2,0),M(2,0,1),易得平面a的一個法向量為
國=(2,-2,1),設(shè)P(0,2,z),0WzW2,直線AP與平面a所成角為。,則
方=(2,-2,-z),所以sin0=|cos<?X而>|=-^=.易得sin。在[0,2]上
隨Z的增大而減小,所以當(dāng)z=2時,sin。有最小值,為?,當(dāng)z=0時,sin。
有最大值,為^A正確;阮=(-2,0,0),所以點(diǎn)C到平面a的距離
d=隼界W,B正確;設(shè)E,F分別為BC,CD的中點(diǎn),易證CM,平面BDFE,則面
BDFE就是平面a截正方體所得截面,易得四邊形BDFE為等腰梯形,其面積為
[,故C正確,D錯誤.故選ABC.
3.BD對于
A,人(a?b)=X(|a||b|sin<a,b>),(入a)?b=|X||a||b|sin<入a,b>,故
人(a?b)=(Xa)?b不恒成立;
對于B,a?b=|a||b|sin<a,b>,b?a=|b||a|sin<b,a>,故a?b=b?a恒成立;
對于C,若a=-2b,(a+b)?c=|b||c|sin<b,c>,
(a?c)+(b?c)=|-2b||c|sin<b,c>+|b||c|sin<b,c>=3|b||c|sin<b,c>,
顯然(a+b)?c=(a?c)+(b?c)不恒成立;
X1X2+yiy2
對于D,Vcos<a,b>-)
r.sin<a,b>[l-(當(dāng)滬丫,
N1⑼網(wǎng))
a@b=|a||b|?1-(^^+丫加)
7<同網(wǎng))
=J|a|2四2-(XM2+yj2)2
力(好+及)(好+及)-Ql%2+%%)2
=J*資+行資-2%1%2yly2=IXiy2-x2yiI,
貝ija?b=|Xiy2-X2yJ恒成立.
故選BD.
IIVH
4.答案42
解析如圖,設(shè)P,Q分別為棱CD和CD的中點(diǎn),則四棱錐E-C.D.DC的外接球即
為三棱柱DFC-DEG的外接球.
二?三棱柱DFC-DEC為直三棱柱,
,其外接球球心0為上、下底面三角形外心G和H連線的中點(diǎn).
由題意知,MN是平面DD.EF內(nèi)的一條動直線,
直線0C與平面DDEF所成的角即為最小的6.
設(shè)正方體的棱長為2,則EQ=2,ED^VS,
???△ECD為等腰三角形,
「.△ECD的夕卜接圓的直徑為2GE=——=卓丹,貝ijGE=f,
smZEC1D1痣24
.,.PH=GQ=2-|=^,如圖,以D為原點(diǎn),DA,DC,西的方向分另U為x軸、y軸、z
軸的正方向建立空間直角坐標(biāo)系D-xyz,
.?.西=(0,0,2),DF=(2,1,0).
設(shè)平面DD,EF的一個法向量為n=(x,y,z),
則『?巴L2z=0,令g,則甲(「2,。).
(九?DF=2x+y=0,
,沆.,.當(dāng)0最小時,sin0=|cos〈n,沆〉匚/二,則tan
\4/V5XV41
42
5.解析(1)證明:YSA,底面ABCD,BCu底面ABCD,,BC,SA.
四邊形ABCD為正方形,,BCJ_AB.
???SAnAB=A,,BC_L平面SAB.
VAMc平面SAB,.\AM±BC.
VSA=AD,AD=AB,/.SA=AB.
OM為SB的中點(diǎn),,AMJ_SB.
VBCnSB=B,SBC.
VSCc平面SBC,ASC±AM.
XVAF1SC,AFAAM=A,.\SC_L平面AFM.
VSCc平面ACS,.?.平面ACS_L平面AFM.
⑵以A為坐標(biāo)原點(diǎn),AD,AB,AS所在直線分別為x軸、y軸、z軸建立如圖所
示的空間直角坐標(biāo)系,
設(shè)AD=2,則A(0,0,0),C(2,2,0),M(0,1,1),
.\AC=(2,2,0),AM=(0,1,1).
m?AC=2x+2y=0,?....
設(shè)平面ACM的一個法向量為m=(x,y,z),則—,取y=T,可
m?AM=y+z=0,
得m=(l,T,1).
易知平面ADS的一個法向量為n=(0,1,0).
cos<m,n>=-m?nV3
|m||n|3
貝!Jsin<m,n>=y/1—cos2<m,n>=^-
因此,平面ADS與平面ACM所成二面角的平面角的正弦值為彳.
6.解析(1)證明:以A為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系,如圖所示,
依題意得A(0,0,0),B(0,0,2),C(1,0,1),B,(0,2,2),CI(1,2,l),E(0,1,0),
則西=(1,0,-1),CE=(-1,1,-1),
:.B^-CE=(1,O,-1)?(-1,l,-l)=O,
,
:.B^±CE,..B,C1±CE.
(2)^C=(l,-2,-l),
設(shè)平面BiCE的一個法向量為m=(x,y,z),
則pn?匣=x-2y-z=0,
(m?CE=—x+y-z=0,
取z=l,得x=-3,y=-2,.*.m=(-3,-2,1).
由⑴知BC_LCE,
又CC」BC,CEACG=C,
,BiC」平面CEC?
...瓦瓦=(1,0,-1)為平面CEC,的一個法向量,
?/DK?B1cl_-4_2A/7
-
,,COS〈%^1G)-|m||B^|V14X
?,.sin<m,瓶/工句=V-
???二面角BrCE-G的平面角的正弦值為手.
(3)AE=(0,l,0),EQ=(l,1,1),
設(shè)前=入西=(入,入,入),0W入W1,
^AM=AE+EM=(X,X+1,入).
易知荏=(0,0,2)為平面ADDA的一個法向量.
設(shè)6為直線AM與平面ADDA12f理的角,
則sink|cos<M狼)=鬻需其品赤;演篇?
于是忌百;,解得入=[(負(fù)值舍去)?
??.?AM?=?前?=J(j+G)+C)=學(xué)
線段AM的長為¥?
7.解析(1)證明:由題意得,四邊形BCDE為菱形,連接CE,取DE的中點(diǎn)0,連
接0Ab0C,如圖所示.
在aADE中,易知NEAD=90°,
即AD±AE,即A,D±A,E.
因為。是DE的中點(diǎn),所以O(shè)A^jDE=l.
易知4CDE為等邊三角形,
所以0CLDE,且0C=g.
因為A,C=2,所以AiC=0i45+0C2,
所以NAQC=90°,即0A-0C.
又因為OCJ_DE,且OAlnDE=O,
所以O(shè)C,平面ADE.
又因為OCu平面BCD,
所以平面AJ)EJ_平面BCD.
⑵以0為原點(diǎn),OC,標(biāo)的方向分別為x
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