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文檔簡(jiǎn)介
H專題突破
專題四立體幾何
第1講空間幾何體
[考情分析]空間幾何體的結(jié)構(gòu)特征是立體幾何的基礎(chǔ),空間幾何體的表面積和體積是高考
的重點(diǎn)與熱點(diǎn),多以選擇題、填空題的形式考查,難度中等或偏上.
考點(diǎn)一空間幾何體的折展問題
【核心提煉】
空間幾何體的側(cè)面展開圖
(1)圓柱的側(cè)面展開圖是矩形.
(2)圓錐的側(cè)面展開圖是扇形.
(3)圓臺(tái)的側(cè)面展開圖是扇環(huán).
例1(1)(2023?南寧模擬)如圖,已知圓錐的底面半徑為1,母線長(zhǎng)&4=3,一只螞蟻從/點(diǎn)
出發(fā)繞著圓錐的側(cè)面爬行一圈回到點(diǎn)則螞蟻爬行的最短距離為()
A.23
C.6
答案B
解析已知圓錐的側(cè)面展開圖是半徑為3的扇形,如圖,一只螞蟻從N點(diǎn)出發(fā)繞著圓錐的側(cè)
面爬行一圈回到點(diǎn)N的最短距離為44',
設(shè)=a9
圓錐底面周長(zhǎng)為2兀,所以/4=aX3=2兀,
所以看學(xué)
在△S44'中,由=3和余弦定理,得
AA'=^SA2+SA'2-2SA-SA'-cosot
=-32+32—2X3X3義[—J=3^3.
(2)(2023?深圳模擬)如圖,在三棱錐尸一/BC的平面展開圖中,4C=?AB=1,4D=1,
ABLAC,ABLAD,ZCAE=30°,則cos/FC2等于()
A-2B.-
3
D
解析由題意知,AE=AD=AB=\,BC=2,
在△/<?£中,由余弦定理得
CE2=AE2+AC2-2AE-AC-cosZCAE
=1+3-2X1X3X/=1,
2
:.CE=CF=],而BF=BD=0BC=2,
.?.在中,由余弦定理的推論得,
/…BC2+CF^-BF24+1-23
cosZFCB=---------------------=-----------=
2BC-CF2X2X14
規(guī)律方法空間幾何體最短距離問題,一般是將空間幾何體展開成平面圖形,轉(zhuǎn)化成求平面
中兩點(diǎn)間的最短距離問題,注意展開后對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)和邊.
跟蹤演練1(1)(多選)如圖是一個(gè)正方體的展開圖,如果將它還原為正方體,則下列說法中
正確的是()
A.CQGH
B.CD與斯是共面直線
C.AB//EF
D.與是異面直線
答案ABD
解析由圖可知,還原正方體后,點(diǎn)C與G重合,即CCGH,又可知CD與EF是平行直線,
即CD與£尸是共面直線,48與EF是相交直線(點(diǎn)3與點(diǎn)尸重合),與EF是異面直線,
故A,B,D正確,C錯(cuò)誤.
(2)(2023?鞍山模擬)如圖,在三棱錐「一/2C中,VA=VB=VC=8,ZAVB=ZAVC^ZBVC
=30。,過點(diǎn)/作截面/EF,則△/斯周長(zhǎng)的最小值為()
A.6^2B.6出C.8/D.8^3
答案C
解析沿側(cè)棱口把正三棱錐修一/3C展開在一個(gè)平面內(nèi),如圖所示,則44'即為周
長(zhǎng)的最小值,又因?yàn)閂C=ZBVC=3Q°,
所以=3X30。=90。,在△以H中,VA^VA'=8,由勾股定理得44'=
y總2+以'2=782+82=8也.
考點(diǎn)二表面積與體積
【核心提煉】
1.旋轉(zhuǎn)體的側(cè)面積和表面積
(l)SBtt?=27trZ,S回叱=2仃&+/)&為底面半徑,/為母線長(zhǎng)).
(2)SB#?=itrl,S=7t;-(r+/)(r為底面半徑,/為母線長(zhǎng)).
(3)S賺=4位?2(尺為球的半徑).
2.空間幾何體的體積公式
(1)%柱=S〃(S為底面面積,〃為高).
(2)匕為底面面積,人為高).
(3)乙=如上+M^Z+ST)/Z(S上,5下分別為上、下底面面積,h為高).
4
(4)囁=;成3便為球的半徑).
例2(1)(2023?濰坊模擬)如圖,圓錐的底面半徑為1,側(cè)面展開圖是一個(gè)圓心角為;的扇形.把
該圓錐截成圓臺(tái),已知圓臺(tái)的下底面與該圓錐的底面重合,圓臺(tái)的上底面半徑為1,則圓臺(tái)的
3
側(cè)面積為()
A8兀c435?!?6兀-0
A.——B.------C.----D.8兀
323
答案c
解析假設(shè)圓錐的底面半徑為七母線長(zhǎng)為/,則R=1.設(shè)圓臺(tái)上底面半徑為廣,母線長(zhǎng)為/1,
則r~~.
3
由已知可得宜=邛=?,解得/=6.
3II
如圖,作出圓錐、圓臺(tái)的軸截面,
_r
則有
R~3
所以Zi=4.
所以圓臺(tái)的側(cè)面積為兀(R+r)/i=4XI+)兀=號(hào).
(2)(2023?全國(guó)甲卷)在三棱錐尸一4BC中,△48C是邊長(zhǎng)為2的等邊三角形,PA=PB=2,PC
=#,則該棱錐的體積為()
A.1B.3C.2D.3
答案A
解析如圖,取N8的中點(diǎn)。,連接尸A,CD,
因?yàn)椤鱊BC是邊長(zhǎng)為2的等邊三角形,PA=PB=2,
所以尸£>_L48,CDLAB,所以PD=CD=3,又尸C=#,
所以所以尸
又4BCCD=D,AB,CDU平面ABC,
所以PD,平面/2C,
所以Vp_ABC=;XS“BCXPD
=-X-X2XA/3XA/3=1.
32
規(guī)律方法空間幾何體的表面積與體積的求法
(1)公式法:對(duì)于規(guī)則的幾何體直接利用公式進(jìn)行求解.
(2)割補(bǔ)法:把不規(guī)則的圖形分割成規(guī)則的圖形,或把不規(guī)則的幾何體補(bǔ)成規(guī)則的幾何體,不
熟悉的幾何體補(bǔ)成熟悉的幾何體.
(3)等體積法:選擇合適的底面來求體積.
跟蹤演練2(1)(2023?貴陽統(tǒng)考)如圖,在棱長(zhǎng)為2的正方體4BC。-451GA中,E,尸分別
為棱AB,3c的中點(diǎn),則四棱錐2一/1EFQ的體積為()
247
A.-B.1C.-D.-
333
答案B
解析方法一七-4Eg=%―4烏°1一腺-4烏「]x2—;X2X2=l.
方法二七-&EFC[=/-4g=Q-EBF+Bg=3義3X2+;X1X2=1.
⑵(2023?連云港調(diào)研)折扇在我國(guó)已有三四千年的歷史,“扇”與“善”諧音,折扇也寓意
“善良”“善行”.它以字畫的形式集中體現(xiàn)了我國(guó)文化的方方面面,是運(yùn)籌帷幄,決勝千
里,大智大勇的象征(如圖1).圖2是一個(gè)圓臺(tái)的側(cè)面展開圖(扇形的一部分),若扇形的兩個(gè)
圓弧所在圓的半徑分別是1和3,且WC號(hào),則該圓臺(tái)的表面積為——
B
圖1圖2
答案3471
解析設(shè)圓臺(tái)的上底面半徑為尸,下底面半徑為我,
L_2兀1
2兀尸=—1,_1
3
—3,
則解得
lTtR=—-3,
3R=l,
且圓臺(tái)的母線長(zhǎng)為3—1=2,
所以圓臺(tái)的上底面面積為匹,下底面面積為兀,
9
側(cè)面積為7ix(j+l]x2=囪,
3
所以圓臺(tái)的表面積S=-+7t+—=—
939
考點(diǎn)三多面體與球
1核心提煉】
求空間多面體的外接球半徑的常用方法
(1)補(bǔ)形法:側(cè)面為直角三角形,或正四面體,或?qū)饩嗟鹊哪P停梢赃€原到正方體或長(zhǎng)
方體中去求解;
⑵定義法:到各個(gè)頂點(diǎn)距離均相等的點(diǎn)為外接球的球心,借助有特殊性底面的外接圓圓心,
找其垂線,則球心一定在垂線上,再根據(jù)到其他頂點(diǎn)的距離也是半徑,列關(guān)系式求解即可.
例3⑴(2023?聊城模擬)某正四棱臺(tái)形狀的模型,其上、下底面的邊長(zhǎng)分別為也cm,2^2cm,
高為3cm,則該模型的外接球的表面積為()
A.20兀cm2B.IO71cm2
C.5兀cm2D.—cm2
2
答案A
解析如圖,取上底面EFG"的中心",下底面45CQ的中心N,貝UAW=3cm,
故該模型的外接球的球心在MN上,設(shè)為點(diǎn)。,連接旌,NA,OE,OA,
故EAf=lcm,NA=2cm,
設(shè)ON=ycm,則OA/=(3—y)cm,
由勾股定理得EOZnOM+EMuG—yp+l,
AO2=ON2+AN2=y1+4,
故(3—>>)2+1=產(chǎn)+4,解得了=1,
故外接球半徑為"M4=Y5(cm),該模型的外接球的表面積為47f(A/5)2=2O7t(cm2).
(2)(2023?全國(guó)甲卷)在正方體4BCD—415GA中,E,尸分別為48,GA的中點(diǎn).以EF為
直徑的球的球面與該正方體的棱共有個(gè)公共點(diǎn).
答案12
解析如圖,線段EF過正方體的中心,所以以EF為直徑的球的球心即正方體的中心,球的
半徑為空,而正方體的中心到每一條棱的距離均為空,所以以所為直徑的球與每一條棱均
22
相切,所以共有12個(gè)公共點(diǎn).
規(guī)律方法(1)求錐體的外接球問題的一般方法是補(bǔ)形法,把錐體補(bǔ)成正方體、長(zhǎng)方體等求解.
(2)求錐體的內(nèi)切球問題的一般方法是利用等體積法求半徑.
跟蹤演練3⑴已知三棱錐尸一/8C的外接球。,尸C為球。的直徑,且“=2,刃=尸8=他,
AB=\,那么三棱錐尸一/8C的體積為()
答案D
解析由尸C為球。的直徑可知,
PA±AC,PB±BC,即/C=2C=1,又4B=1,
所以△48C為等邊三角形,則△A8C外接圓的半徑,=/,
3
因?yàn)榍?。的半徑R=l,所以點(diǎn)。到平面/2C的距離占#2_戶=擊,
3
故頂點(diǎn)尸到平面/8C的距離為2d=個(gè),
所以jz=lx狙XP義變而=也.
3436
⑵(2023?濰坊模擬)在半徑為1的球中作一個(gè)圓柱,當(dāng)圓柱的體積最大時(shí),圓柱的母線長(zhǎng)為
解析設(shè)圓柱的底面半徑為.,球心到圓柱底面的距離為肌則圓柱的母線長(zhǎng)為2〃,
由球截面的性質(zhì)得戶+盾=1,
則r2=1—h2(0<h<l),
圓柱的體積/=2兀/〃=2?!ǎ?—%2)=2兀〃一2兀爐,
V'=2無一6%序=一6兀1-1
當(dāng)he
時(shí),V<0,
所以函數(shù)在區(qū)間Lh單調(diào)遞增,
在區(qū)間E'I上單調(diào)遞減,
所以當(dāng)時(shí),/取得最大值+,此時(shí)圓柱的母線長(zhǎng)為
專題強(qiáng)化練
一、單項(xiàng)選擇題
1.(2023?唐山模擬)若圓柱的底面直徑與高都等于球的直徑,則球的表面積與圓柱的側(cè)面積的
比為()
A.1:1B.1:2
C.2:D.2:3
答案A
解析設(shè)球的半徑為乙依題意知圓柱的底面半徑也是廣,高是2廠,圓柱的側(cè)面積為2b-2廠
=4無”,球的表面積為4無“,其比為1:1.
2.(2023?錦州模擬)已知正方體48c£>—的棱長(zhǎng)為4,P,。是棱。Di的兩個(gè)三等分
點(diǎn),則三棱錐。一P2C的體積為()
答案B
解析如圖所示.
VQ-PBC—VB-PQC—~S^PQCBC
=11X-1X-4X4X4=3—2.
3239
3.(2023?石家莊模擬)一個(gè)圓錐的側(cè)面展開的扇形面積是底面圓面積的2倍,若該圓錐的體積
為9a,則該圓錐的母線長(zhǎng)為()
A.3B.33C.6D.6^3
答案C
解析設(shè)圓錐的底面圓半徑為廠,高為〃,母線長(zhǎng)為/,則圓錐側(cè)面展開的扇形面積為兀〃,底
面圓面積為“2,
因?yàn)樨!?2兀r2,所以/=2r,
得h=\]p—F2=A/3F,
所以圓錐的體積%="戶/!=1兀e3廠=9寸3兀,解得r=3,所以/=6,即圓錐的母線長(zhǎng)為6.
33
4.已知一個(gè)直三棱柱的高為2,如圖,其底面△/8C水平放置的直觀圖(斜二測(cè)畫法)為
△HB'C,其中。'A'=O'B'=O'C=1,則此三棱柱的表面積為()
B'~/O'~C
A.4+4也B.8+4也
C.4+43D.8+4m
答案D
解析由斜二測(cè)畫法還原底面的平面圖如圖所示,
因?yàn)镺,A'=O'B'=O'C=1,
所以04=2,OB=OC=1,
所以AB=AC=\l5,
所以此直三棱柱的底面積為】X2X2=2,
2
因?yàn)橹比庵母邽?,故直三棱柱表面積為
S=2X2+(2+2峋X2=8+4在
5.(2023?長(zhǎng)沙模擬)最早的測(cè)雨器記載見于南宋數(shù)學(xué)家秦九韶所著的《數(shù)書九章》(1247年).該
書第二章為“天時(shí)類”,收錄了有關(guān)降水量計(jì)算的四個(gè)例子,分別是“天池測(cè)雨”“圓罌測(cè)
雨”“峻積驗(yàn)雪”和“竹器驗(yàn)雪”.其中“天池測(cè)雨”法是下雨時(shí)用一個(gè)圓臺(tái)形的天池盆收
集雨水.已知天池盆盆口直徑為二尺八寸,盆底直徑為一尺二寸,盆深一尺八寸,當(dāng)盆中積
水深九寸時(shí),平地的降雨量是()
(注:一尺=10寸,平地降雨量等于盆中積水體積除以盆口面積)
A.9寸B.6寸
C.4寸D.3寸
答案D
解析如圖所示,由題意知天池盆盆口半徑是14寸,盆底半徑是6寸,高為18寸,
由積水深9寸知水面半徑為
卜(14+6)=10(寸),
則盆中水體積為\tX9X(62+102+6X10)=588兀(立方寸),所以平地降雨量為厘三=3(寸).
37tX142
6.(2023?日照模擬)紅燈籠起源于中國(guó)的西漢時(shí)期,兩千多年來,每逢春節(jié)人們便會(huì)掛起象征
美好團(tuán)圓意義的紅燈籠,營(yíng)造一種喜慶的氛圍.如圖1,某球形燈籠的輪廓由三部分組成,
上、下兩部分是兩個(gè)相同的圓柱的側(cè)面,中間是球面除去上、下兩個(gè)相同球冠剩下的部分.如
圖2,球冠是由球面被平面截得的一部分,垂直于截面的直徑被截得的部分叫做球冠的高,
若球冠所在球面的半徑為凡球冠的高為肌則球冠的面積S=2兀及.如圖1,已知該燈籠的高
為58cm,上、下圓柱的高為5cm,圓柱的底面圓直徑為14cm,則圍成該燈籠中間球面部
分所需布料的面積為()
圖2
A.1940兀cm2
C.2400兀cm2
答案C
解析由題意得發(fā)一
所以R=25cm,
所以h=25--------=l(cm),
所以兩個(gè)球冠的面積為2s=2X2兀R〃=2X2X7tX25Xl=10(k(cm2),
則圍成該燈籠中間球面部分所需布料的面積為
4%尺2-25=4X^X252-10071=24007t(cm2).
7.(2023?廣西聯(lián)考)已知在一個(gè)表面積為24的正方體48。-48cbDi中,點(diǎn)£在站。上運(yùn)
動(dòng),則當(dāng)3E+4E取得最小值時(shí),/£等于()
答案A
解析作出圖形,如圖所示.
依題意6/爐=24,故48=2,
將平面AiBiD翻折至與平面BBiD共面,
易得
故當(dāng)力歸上⑸。時(shí),BE+41E有最小值,此時(shí)旦出=L過點(diǎn)E作平面N5C。的垂線,垂足為
DE2
F,
則時(shí)三3個(gè),所三班產(chǎn);
由余弦定理得
AFJ2=AB2+BF2-2ABBFcos45°
=4+--2X2X^X也=20
9
則AE=\jAF^+EF2==2.
8.已知球。的半徑為2,三棱錐尸一/8C的四個(gè)頂點(diǎn)均在球面上,△A8C為等邊三角形,
且邊長(zhǎng)為3,則三棱錐尸一45C的最大體積為()
aB蝮
44
c3^3D通
.42
答案B
解析如圖所示,設(shè)△48C的中心為。1,連接。尸,0C,(901,△/2C為等邊三角形,
邊長(zhǎng)為3,
?S乂?3=93
??/\ABCzx3z\3,
224
OIC=3X^X-=A/3,
23
又OC=R=2,
001=也2_~3)2=1,
當(dāng)尸為射線。1。與球的交點(diǎn)時(shí),Pp-ABC最大,
(Kp-4BC)max=JSAABC'(PO+。。1)
=3X9TX3=93
4,
二、多項(xiàng)選擇題
9.有一張長(zhǎng)和寬分別為8和4的矩形硬紙板,以這張硬紙板為側(cè)面,將它折成正四棱柱,則
此正四棱柱的體對(duì)角線的長(zhǎng)度為()
A.2/B.2、卜C.4A/5D.^66
答案BD
解析分兩種情況求解:
①若正四棱柱的高為8,則底面邊長(zhǎng)為1,此時(shí)體對(duì)角線的長(zhǎng)度為#41^1=466;
②若正四棱柱的高為4,則底面邊長(zhǎng)為2,此時(shí)體對(duì)角線的長(zhǎng)度為再2不/=2加.
10.(2023?新高考全國(guó)II)已知圓錐的頂點(diǎn)為尸,底面圓心為O,AB為底面直徑,ZAPB=120°,
刈=2,點(diǎn)C在底面圓周上,且二面角P—/C—。為45。,則()
A.該圓錐的體積為兀
B.該圓錐的側(cè)面積為43兀
C.4c=2也
D.△aC的面積為他
答案AC
解析依題意,ZAPB^120°,PA=2,
所以O(shè)P=1,OA=OB=S.
A項(xiàng),圓錐的體積為1X兀義~3)2乂1=兀,
故A正確;
B項(xiàng),圓錐的側(cè)面積為兀><3X2=23兀,故B錯(cuò)誤;
C項(xiàng),取/C的中點(diǎn)。,連接。D,PD,如圖所示,
則NCJ_O。,ACLPD,所以/PDO是二面角尸一/。一。的平面角,
則/尸£>0=45°,
所以O(shè)P=OD=1,故AD=CD=\/3^1=也,
則/C=2/,故C正確;
D項(xiàng),尸。=>12+12=也
所以S△以c=1X2mX也=2,故D錯(cuò)誤.
2
11.(2023?遼陽統(tǒng)考)若正三棱錐P—A8C的底面邊長(zhǎng)為3,高為水,則該正三棱錐()
A.體積為迤
4
B.表面積為93
C.外接球的表面積為27兀
D.內(nèi)切球的表面積為宜
2
答案ABD
解析如圖‘三棱錐尸一肥的體積仁?"。.仁;義^^加二丫,故A正確;
取的中點(diǎn)D,連接CD,PD,
則在正三棱錐產(chǎn)一/8C中,ABLCD,ABLPD.
作/W_L平面/8C,垂足為〃,貝!]尸〃=水.
由正三棱錐的性質(zhì)可知//在CD±,
且CH=2DH.
因?yàn)?8=3,所以CD=^,則CH=g
2
因?yàn)镻H=?,所以產(chǎn)。=加工6=3,
則三棱錐尸一N3C的表面積為喳X4=9^,
4
故B正確;
設(shè)三棱錐尸一4BC的外接球的球心為。,半徑為七則O在尸以上,
連接。C,則R2=次+?!?=(PH—0H)2,
即尺2=3+。/=(?—0切2,解得0H=宣,
4
所以尺2=3+|=¥,
o8
則三棱錐P—N5C的外接球的表面積為4TT7?2=-,故C錯(cuò)誤;
2
設(shè)三棱錐P—4SC的內(nèi)切球的半徑為r,
則1義943廠=迤,
34
解得r=*,從而三棱錐P—48c的內(nèi)切球的表面積為4兀戶=紅,故D正確.
42
12.(2023?白銀模擬)甲工程師計(jì)劃將一塊邊長(zhǎng)為6m的正方形鐵片加工成一個(gè)無蓋正四棱臺(tái),
其工程平面設(shè)計(jì)圖如圖1所示,正方形EFG//和正方形/BCD的中心重合,I,J,K,L,M,
N,O,尸分別是邊48,BC,CD,ZM上的三等分點(diǎn),且EF〃AB,IJ<EF<AB,將圖中的四
塊陰影部分裁下來,用余下的四個(gè)全等的等腰梯形和正方形MG"加工成一個(gè)無蓋正四棱臺(tái),
如圖2所示,貝1()
A.甲工程師可以加工出一個(gè)底面周長(zhǎng)為8m的正四棱臺(tái)
B.甲工程師可以加工出一個(gè)底面面積為8m2的正四棱臺(tái)
C.甲工程師可以加工出一個(gè)高為1.5m的正四棱臺(tái)
D.甲工程師可以加工出一個(gè)側(cè)棱長(zhǎng)為1.5m的正四棱臺(tái)
答案BCD
解析令正四棱臺(tái)的底面邊長(zhǎng)£F=2am,高為〃m,側(cè)棱長(zhǎng)為/m,等腰梯形£氏〃的高為
h\m,
則由題意可知,IJ=^AB=2m,2a+2hi=AB,
即/?i=(3—tz)m.
對(duì)于A,當(dāng)正四棱臺(tái)的底面周長(zhǎng)為8m時(shí),
EF=2m,不滿足故A錯(cuò)誤;
對(duì)于B,當(dāng)正四棱臺(tái)的底面面積為8m2時(shí),
EF=2/m,滿足IJ<EF<AB,故B正確;
對(duì)于C,如圖,當(dāng)正四棱臺(tái)的高為1.5m時(shí),
記正四棱臺(tái)的上、下底面的中心分別為。1,02,取〃,尸G的中點(diǎn)。,R,連接。。2,<912,
。2凡QR,過點(diǎn)0作。SJ_。次于點(diǎn)S,則QS=1.5m,QR=(?>-a)m,RS=(a—l)m,
所以1.52+(tz—1)2=(3—d)2,
=
解得?=77'則EFTm,
滿足IJ<EF〈AB,故C正確;
N(O)L(M)
EF1
對(duì)于D,如圖,當(dāng)正四棱臺(tái)的側(cè)棱長(zhǎng)為1.5m時(shí),
/=1.5m,
過點(diǎn)J作〃_LFG于點(diǎn)T,則JF=1.5m,
JT=(3—a)m,FT=(?—l)m,
所以1.52—(a—1)2+(3—a)2,
8士/
即8層一32。+31=0,解得a
4
則斯=旺旺m,滿足〃<£尸<48,故D正確.
2
三、填空題
13.(2023?鄭州模擬)攢尖是中國(guó)古代建筑中屋頂?shù)囊环N結(jié)構(gòu)形式,依其平面有圓形攢尖、三角
攢尖、四角攢尖、六角攢尖等,多見于亭閣式建筑.如故宮中和殿的屋頂為四角攢尖頂,它
的主要部分的輪廓可近似看作一個(gè)正四棱錐,設(shè)正四棱錐的側(cè)面的等腰三角形的頂角為60°,
則該正四棱錐的側(cè)面積與底面積的比為.
答案3
解析設(shè)底面棱長(zhǎng)為2am>0),正四棱錐的側(cè)面的等腰三角形的頂角為60。,則側(cè)面為等邊三
角形,
0X(2a)2X4廣
則該正四棱錐的側(cè)面積與底面積的比為工__________=3.
(2a)2
14.(2023?新高考全國(guó)II)底面邊長(zhǎng)為
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