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2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十四章 熱學(xué) 第1講 分子動(dòng)理論 內(nèi)能學(xué)案

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1、 第1講 分子動(dòng)理論 內(nèi)能 板塊一 主干梳理·夯實(shí)基礎(chǔ) 【知識(shí)點(diǎn)1】 分子動(dòng)理論 Ⅰ 1.物體是由大量分子組成的 (1)分子的大小 ①分子直徑:數(shù)量級(jí)是10-10 m; ②分子質(zhì)量:數(shù)量級(jí)是10-26 kg; ③測(cè)量方法:油膜法。 (2)阿伏加德羅常數(shù) 1 mol任何物質(zhì)所含有的粒子數(shù),NA=6.02×1023mol-1。 2.分子做永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng) (1)擴(kuò)散現(xiàn)象 ①定義:不同物質(zhì)能夠彼此進(jìn)入對(duì)方的現(xiàn)象。 ②實(shí)質(zhì):不是外界作用引起的,也不是化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果,而是由物質(zhì)分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。 (2)布朗運(yùn)動(dòng) ①定義:懸浮在液體中的微粒的永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

2、 ②成因:液體分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng),對(duì)固體微粒撞擊作用不平衡造成的。 ③特點(diǎn):永不停息,無規(guī)則;微粒越小,溫度越高,布朗運(yùn)動(dòng)越顯著。 ④結(jié)論:反映了液體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 (3)熱運(yùn)動(dòng) ①定義:分子永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 ②特點(diǎn):溫度越高,分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越激烈。 3.分子間的相互作用力 (1)引力和斥力同時(shí)存在,都隨分子間距離的增大而減小,隨分子間距離的減小而增大,斥力比引力變化更快。 (2)分子力隨分子間距離的變化圖象如圖所示。 (3)分子力的特點(diǎn) ①r=r0時(shí)(r0的數(shù)量級(jí)為10-10 m),F(xiàn)引=F斥,分子力F=0; ②r

3、 ③r>r0時(shí),F(xiàn)引>F斥,分子力F表現(xiàn)為引力; ④r>10r0時(shí),F(xiàn)引、F斥迅速減為零,分子力F=0。 【知識(shí)點(diǎn)2】 溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志、內(nèi)能?、? 1.溫度 一切達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。 2.兩種溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。 關(guān)系:T=t+273.15 K。 3.分子的動(dòng)能 (1)分子動(dòng)能是分子熱運(yùn)動(dòng)所具有的動(dòng)能; (2)平均動(dòng)能是所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能的平均值,溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志; (3)分子熱運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)能是物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的總和。 4.分子的勢(shì)能 (1)定義:由于分子間存在著引力和斥力,所以分子具有由它們的相對(duì)位置決定的能。

4、 (2)分子勢(shì)能的決定因素 微觀上——決定于分子間距離; 宏觀上——決定于物體的體積。 5.物體的內(nèi)能 (1)物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和叫物體的內(nèi)能,內(nèi)能是狀態(tài)量。 (2)對(duì)于給定的物體,其內(nèi)能大小與物體的溫度和體積有關(guān)。 (3)物體的內(nèi)能與物體的位置高低、運(yùn)動(dòng)速度大小無關(guān)。 (4)決定內(nèi)能的因素 微觀上:分子動(dòng)能、分子勢(shì)能、分子個(gè)數(shù)。 宏觀上:溫度、體積、物質(zhì)的量(摩爾數(shù))。 (5)改變物體的內(nèi)能有兩種方式 做功:當(dāng)做功使物體的內(nèi)能發(fā)生改變時(shí),外界對(duì)物體做了多少功,物體內(nèi)能就增加多少;物體對(duì)外界做了多少功,物體內(nèi)能就減少多少。 熱傳遞:當(dāng)熱傳遞使物體的

5、內(nèi)能發(fā)生改變時(shí),物體吸收了多少熱量,物體內(nèi)能就增加多少;物體放出了多少熱量,物體內(nèi)能就減少多少。 【知識(shí)點(diǎn)3】 實(shí)驗(yàn):用油膜法估測(cè)分子的大小 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.了解本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及所需要的器材,了解實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng); 2.會(huì)正確測(cè)出一滴油酸酒精溶液中油酸的體積及形成油膜的面積; 3.會(huì)計(jì)算分子的大小,正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)原理 如圖所示,測(cè)出一滴油酸酒精溶液在水面上形成的單分子油膜面積,將油酸分子看作球形,用d=計(jì)算出油膜的厚度,其中V為一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積,S為油膜面積,這個(gè)厚度d就是油酸分子的直徑。 實(shí)驗(yàn)器材 清水、酒精、油酸、量筒、淺盤(邊長(zhǎng)約30~40 c

6、m)、注射器(或滴管)、玻璃板(或有機(jī)玻璃板)、彩筆、痱子粉(石膏粉)、坐標(biāo)紙、容量瓶(500 mL)。 實(shí)驗(yàn)步驟 1.用稀酒精溶液及清水清洗淺盤,充分洗去油污、粉塵,以免給實(shí)驗(yàn)帶來誤差。 2.配制油酸酒精溶液,取油酸1 mL,注入500 mL的容量瓶中,然后向容量瓶?jī)?nèi)注入酒精,直到液面達(dá)到500 mL刻線為止,搖動(dòng)容量瓶,使油酸充分在酒精中溶解,這樣就得到了500 mL含1 mL純油酸的油酸酒精溶液。 3.用注射器或滴管將油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,并記下量筒內(nèi)增加一定體積VN時(shí)的滴數(shù)N。 4.根據(jù)V0=算出每滴油酸酒精溶液的體積V0。 5.向淺盤里倒入約2 cm深的水,

7、并將痱子粉或石膏粉均勻地撒在水面上。 6.用注射器或滴管在水面上滴一滴油酸酒精溶液。 7.待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后,將玻璃板(或有機(jī)玻璃板)放在淺盤上,并用彩筆在玻璃板上描畫出油酸薄膜的形狀。 8.將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上,算出油酸薄膜的面積S(求面積時(shí)以坐標(biāo)紙上邊長(zhǎng)為1 cm的正方形為單位,計(jì)算輪廓內(nèi)正方形的個(gè)數(shù),不足半個(gè)的舍去,多于半個(gè)的算一個(gè))。 9.根據(jù)油酸酒精溶液的配制比例,算出一滴溶液中純油酸的體積V,并代入公式d=算出油酸薄膜的厚度d。 10.重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟,多測(cè)幾次油酸薄膜的厚度,求平均值,即為油酸分子的直徑大小。 注意事項(xiàng) 1.油酸酒精溶液配制后不

8、要長(zhǎng)時(shí)間放置,以免改變濃度,產(chǎn)生誤差; 2.注射器針頭高出水面的高度應(yīng)在1 cm之內(nèi),當(dāng)針頭靠水面很近(油酸酒精溶液未滴下之前)時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)針頭下方的粉層已被排開,這是由于針頭中酒精揮發(fā)所致,不影響實(shí)驗(yàn)效果; 3.實(shí)驗(yàn)之前要訓(xùn)練好滴法; 4.待測(cè)油酸面擴(kuò)散后又收縮,要在穩(wěn)定后再畫輪廓,擴(kuò)散后又收縮有兩個(gè)原因:一是水面受油酸液滴沖擊凹陷后又恢復(fù),二是酒精揮發(fā)后液面收縮; 5.當(dāng)重做實(shí)驗(yàn)時(shí),水從淺盤的一側(cè)邊緣倒出,在這側(cè)邊緣會(huì)殘留油酸,可用少量酒精清洗,并用脫脂棉擦去,再用清水沖洗,這樣可保持淺盤的清潔; 6.從淺盤的中央加痱子粉,使粉自動(dòng)擴(kuò)散至均勻,這是由于以下兩種因素所致:第一,加粉后

9、水的表面張力系數(shù)變小,水將粉粒拉開;第二,粉粒之間的排斥。這樣做比粉撒在水面上的實(shí)驗(yàn)效果好; 7.本實(shí)驗(yàn)只要求估算分子大小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)量級(jí)符合要求即可; 8.實(shí)驗(yàn)中所用的油酸及酒精都應(yīng)取較純藥品,否則會(huì)影響結(jié)果。另外,實(shí)驗(yàn)中所有的容器必須潔凈,不能有油污; 9.計(jì)算時(shí)注意單位和數(shù)量級(jí),以及有效數(shù)字要求,細(xì)心求解、計(jì)算。 板塊二 考點(diǎn)細(xì)研·悟法培優(yōu)                  考點(diǎn)1微觀量的估算[解題技巧] 1.分子模型 物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài),不同物態(tài)下應(yīng)將分子看成不同的模型。 (1)固體、液體分子一個(gè)一個(gè)緊密排列,可將分子看成球形或立方體形,如圖所示。分子間

10、距等于小球的直徑或立方體的棱長(zhǎng),所以d=(球體模型)或d=(立方體模型)。 (2)氣體分子不是一個(gè)一個(gè)緊密排列的,它們之間的距離很大,所以氣體分子的大小不等于每個(gè)分子所占據(jù)的平均空間。如圖所示,此時(shí)每個(gè)分子占據(jù)的空間視為棱長(zhǎng)為d的立方體,所以d=。 2.微觀量:分子體積V0、分子直徑d、分子質(zhì)量m。 3.宏觀量:物體體積V、摩爾體積Vmol、物體的質(zhì)量M、摩爾質(zhì)量Mmol、物體的密度ρ。 4.關(guān)系 (1)分子的質(zhì)量:m==。 (2)分子的體積:V0==。對(duì)氣體,V0表示分子占據(jù)的空間。 (3)物體所含的分子數(shù):n=·NA=·NA, 或n=·NA=·NA。 例1 用

11、放大600倍的顯微鏡觀察布朗運(yùn)動(dòng),估計(jì)放大后的小顆粒(碳)體積為0.1×10-9 m3,碳的密度為2.25×103 kg/m3,摩爾質(zhì)量是1.2×10-2 kg/mol,阿伏加德羅常數(shù)為6.02×1023mol-1,則: (1)該小碳粒含分子數(shù)約為多少個(gè)?(取一位有效數(shù)字) (2)假設(shè)小碳粒中的分子是緊挨在一起的,試估算碳分子的直徑。 (1)求解分子大小時(shí),常用哪兩種模型? 提示:球形和立方體形。 (2)如何求小碳粒的實(shí)際體積? 提示:V實(shí)際=。 嘗試解答 (1)5×1010個(gè)__(2)2.6×10-10_m。 (1)設(shè)小顆粒棱長(zhǎng)為a,放大600倍后,則其體積為 V=(600

12、a)3=0.1×10-9 m3。 實(shí)際體積為V′=a3= m3 質(zhì)量為m=ρV′=1.0×10-15 kg 含分子數(shù)為 n=NA=×6.02×1023=5×1010(個(gè))。 (2)將碳分子看成球體模型,則有=π3= 得d== m=2.6×10-10 m。 總結(jié)升華 微觀量的求解方法 (1)分子的大小、分子體積、分子質(zhì)量屬微觀量,直接測(cè)量它們的數(shù)值非常困難,可以借助較易測(cè)量的宏觀量結(jié)合摩爾體積、摩爾質(zhì)量等來估算這些微觀量,其中阿伏加德羅常數(shù)是聯(lián)系宏觀量和微觀量的橋梁和紐帶。 (2)建立合適的物理模型,通常把固體、液體分子模擬為球形或小立方體形,如上例中將碳分子看成球形;氣體

13、分子所占據(jù)的空間則可建立立方體模型。  [2017·大連模擬](多選)某氣體的摩爾質(zhì)量為Mmol,摩爾體積為Vmol,密度為ρ,每個(gè)分子的質(zhì)量和體積分別為m和V0,則阿伏加德羅常數(shù)NA不可表示為(  ) A.NA= B.NA= C.NA= D.NA= 答案 CD 解析 阿伏加德羅常數(shù)NA===,其中V為每個(gè)氣體分子所占有的體積,而V0是氣體分子的體積,故A、B正確,C錯(cuò)誤;D中ρV0不是氣體分子的質(zhì)量,因而也是錯(cuò)誤的。 考點(diǎn)2分子力、分子勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系[拓展延伸] 分子力與分子勢(shì)能 例2 [2017·廣西柳州模擬]分子勢(shì)能與分子力隨分子間距離r變化的關(guān)系

14、如圖甲所示?,F(xiàn)將甲分子固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O,乙分子只受兩分子間的作用力沿x軸正方向運(yùn)動(dòng),兩分子間的分子勢(shì)能Ep與兩分子間距離x的變化關(guān)系如圖乙所示。設(shè)在移動(dòng)過程中兩分子所具有的總能量為0,則(  ) A.乙分子在P點(diǎn)時(shí)加速度最大 B.乙分子在Q點(diǎn)時(shí)分子勢(shì)能最小 C.乙分子在Q點(diǎn)時(shí)處于平衡狀態(tài) D.乙分子在P點(diǎn)時(shí)分子動(dòng)能最大 (1)分子的引力和斥力隨分子間距變化的規(guī)律? 提示:分子的引力和斥力都隨分子間距的增大而減小,但分子斥力減小得快。 (2)甲圖中,最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離多大? 提示:甲圖中,分子力圖象的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置是r>r0的某一值。分子勢(shì)能圖象的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置是r=r0。

15、 嘗試解答 選D。 根據(jù)題意,乙分子的分子動(dòng)能和兩分子間的分子勢(shì)能之和為零,所以當(dāng)分子勢(shì)能最小時(shí),乙分子的分子動(dòng)能最大,當(dāng)分子勢(shì)能為零時(shí),乙分子的分子動(dòng)能也為零。觀察題圖乙可知,乙分子在P點(diǎn)時(shí)分子勢(shì)能最小,則乙分子在P點(diǎn)時(shí)的分子動(dòng)能最大,此處分子力為零,加速度為零,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,D正確。乙分子在Q點(diǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零,但不是最小,此處,分子力不為零,加速度不為零,選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤。 總結(jié)升華 判斷分子勢(shì)能變化的三種方法 方法一:根據(jù)分子力做功判斷。分子力做正功,分子勢(shì)能減??;分子力做負(fù)功,分子勢(shì)能增加。 方法二:利用分子勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系圖線判斷。如圖所示。 方法三:與彈簧類比。

16、彈簧處于原長(zhǎng)時(shí)(r=r0)彈性勢(shì)能最小,在此基礎(chǔ)上:r↑,Ep↑;r↓,Ep↑。  (多選)關(guān)于分子間的相互作用力,以下說法中正確的是(  ) A.當(dāng)分子間的距離r=r0時(shí),分子力為零,說明此時(shí)分子間既不存在引力,也不存在斥力 B.分子力隨分子間距離的變化而變化,當(dāng)r>r0時(shí),隨著距離的增大,分子間的引力和斥力都增大,但引力比斥力增大得快,故分子力表現(xiàn)為引力 C.當(dāng)分子間的距離r10-9 m時(shí),分子間的作用力可以忽略不計(jì) 答案 CD 解析 當(dāng)分子間距離r=r0時(shí),分

17、子間引力和斥力大小相等,分子力為零,并不是不存在斥力和引力,A選項(xiàng)錯(cuò)誤。當(dāng)r>r0時(shí),隨著分子間距離的增大,分子間的引力和斥力都減小,但斥力比引力減小得快,故分子力表現(xiàn)為引力,所以B選項(xiàng)錯(cuò)誤。當(dāng)r10-9 m時(shí),分子間的引力、斥力都很小,可以忽略不計(jì),所以分子間的作用力也可以忽略不計(jì)。 考點(diǎn)3物體的內(nèi)能[對(duì)比分析] 1.物體的內(nèi)能與機(jī)械能的比較 2.溫度、內(nèi)能、熱量、功的比較 例3 關(guān)于物體的內(nèi)能,以下說法正確的是(  ) A.不同物體,溫度

18、相等,內(nèi)能也相等 B.所有分子的分子勢(shì)能增大,物體的內(nèi)能也增大 C.溫度升高,分子平均動(dòng)能增大,但內(nèi)能不一定增大 D.只要兩物體的質(zhì)量、溫度、體積相等,兩物體的內(nèi)能一定相等 (1)一定質(zhì)量的物體,內(nèi)能由什么決定? 提示:由溫度和體積決定。 (2)一定質(zhì)量的理想氣體,內(nèi)能由什么決定? 提示:僅由溫度決定。 嘗試解答 選C。 物體的內(nèi)能是由物質(zhì)的量、溫度、體積共同決定,不同物體,溫度相等,體積和物質(zhì)的量不確定,內(nèi)能不一定相等,A選項(xiàng)錯(cuò)誤。所有分子的勢(shì)能增大,物體的分子勢(shì)能增大,但內(nèi)能不一定增大,B選項(xiàng)錯(cuò)誤。溫度升高,分子的平均動(dòng)能增大,但內(nèi)能不一定增大,C選項(xiàng)正確。物體的質(zhì)量、溫

19、度、體積相等,但分子數(shù)可能不同,內(nèi)能不一定相等,D選項(xiàng)錯(cuò)誤。 總結(jié)升華 分析物體的內(nèi)能問題的技巧 分析物體的內(nèi)能問題應(yīng)當(dāng)明確以下幾點(diǎn): (1)內(nèi)能是對(duì)物體而言的,不存在某個(gè)分子內(nèi)能的說法。 (2)決定內(nèi)能大小的因素為溫度、體積、物質(zhì)的量。 (3)做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能。  [2017·江西南昌一模](多選)關(guān)于物體的內(nèi)能,以下說法中正確的是(  ) A.物體吸收熱量,內(nèi)能一定增大 B.物體放出熱量,同時(shí)對(duì)外做功,內(nèi)能一定減少 C.物體體積改變,內(nèi)能可能不變 D.質(zhì)量相同的0 ℃水的內(nèi)能比0 ℃冰的內(nèi)能大 答案 BCD 解析 影響物體內(nèi)能的因素有做功和熱傳遞,

20、物體吸收熱量,不知做功情況,內(nèi)能變化不確定,A選項(xiàng)錯(cuò)誤。由ΔU=W+Q,對(duì)外做功W取負(fù),外界對(duì)物體做功W取正,吸熱Q取正,放熱Q取負(fù),ΔU為正時(shí),物體內(nèi)能增加,ΔU為負(fù)時(shí),物體內(nèi)能減少,B選項(xiàng)正確。當(dāng)物體的體積改變時(shí),就有做功情況存在,但熱傳遞情況不確定,所以內(nèi)能可能不變,C選項(xiàng)正確。0 ℃的冰轉(zhuǎn)化為0 ℃的水需要吸熱,質(zhì)量相同的0 ℃水的分子勢(shì)能比0 ℃冰的分子勢(shì)能大,分子動(dòng)能相同,所以水的內(nèi)能大,D選項(xiàng)正確。 考點(diǎn)4用油膜法估測(cè)分子的大小[深化理解] 用油膜法估測(cè)分子的大小是將分子看成球形模型,將微觀量測(cè)量轉(zhuǎn)化為宏觀量測(cè)量,要準(zhǔn)確測(cè)出一滴油酸溶液中的純油酸體積,以及該體積油酸在水面

21、上形成的油酸薄膜的面積。 誤差分析 例4 利用油膜法估測(cè)油酸分子的大小,實(shí)驗(yàn)器材有:濃度為0.05%(體積分?jǐn)?shù))的油酸酒精溶液、最小刻度為0.1 mL的量筒、盛有適量清水的規(guī)格為30 cm×40 cm的淺盤、痱子粉、橡皮頭滴管、玻璃板、彩筆、坐標(biāo)紙。 (1)下面是實(shí)驗(yàn)步驟,請(qǐng)?zhí)顚懰钡牟襟EC。 A.用滴管將濃度為0.05%的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,記下滴入1 mL油酸酒精溶液時(shí)的滴數(shù)N; B.將痱子粉均勻地撒在淺盤內(nèi)的水面上,用滴管吸取濃度為0.05%的油酸酒精溶液,從靠近水面處向淺盤中央一滴一滴地滴入油酸酒精溶液,直到穩(wěn)定時(shí)油酸薄膜有足夠大的面積且不與器壁接

22、觸為止,記下滴入的滴數(shù)n; C.________________________________________________________________________; D.將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標(biāo)紙上,以坐標(biāo)紙上邊長(zhǎng)為1 cm的正方形為單位,計(jì)算輪廓內(nèi)正方形的個(gè)數(shù),算出油酸薄膜的面積S。 (2)用已給的和測(cè)得的物理量表示單個(gè)油酸分子的大小________(單位:cm)。 (1)如何計(jì)算出一滴純油酸的體積? 提示:V0=,N為滴入1 mL油酸酒精溶液時(shí)的滴數(shù),V為1 mL油酸酒精溶液中含有純油酸的體積。 (2)怎樣計(jì)算油酸分子的直徑? 提示:用純油酸的體積除以

23、油酸膜的面積。 嘗試解答 (1)待薄膜輪廓穩(wěn)定后,將玻璃板放在淺盤上,用彩筆將油酸膜的輪廓畫在玻璃板上 (2)。 (1)待薄膜輪廓穩(wěn)定后,將玻璃板放在淺盤上,用彩筆將油酸薄膜的輪廓畫在玻璃板上。 (2)每滴油酸酒精溶液的體積為 cm3 n滴油酸酒精溶液所含純油酸的體積為 V=×0.05 % cm3 所以單個(gè)油酸分子的直徑大小d== cm。 總結(jié)升華 油膜法估測(cè)分子大小的思路 (1)理解分子模型,理解油酸分子在水面上形成的薄膜厚度即分子直徑。 (2)明確溶質(zhì)和溶劑的體積濃度關(guān)系,正確求出純油酸體積V。 (3)準(zhǔn)確“數(shù)”出輪廓內(nèi)正方形個(gè)數(shù),計(jì)算出油膜的面積S。 (4)利用d=求得分子直徑。  (多選)一滴油酸酒精溶液含質(zhì)量為m的純油酸,滴在液面上擴(kuò)散后形成的最大面積為S。已知純油酸的摩爾質(zhì)量為M、密度為ρ,阿伏加德羅常數(shù)為NA,下列表達(dá)式中正確的有 (  ) A.油酸分子的直徑d= B.油酸分子的直徑d= C.油酸所含的分子數(shù)N=NA D.油酸所含的分子數(shù)N=NA 答案 BC 解析 設(shè)油酸分子的直徑為d,則有dS=?d=,B正確;設(shè)油酸所含的分子數(shù)為N,則有N=NA,C正確。 13

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