2026届高考物理一轮复习基础梳理专题13 瞬时临界问题 超重和失重
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内容正文:
专题13 瞬时临界问题 超重和失重
►考点01 动力学中的临界、极值问题 4
►考点02 超重和失重 6
►备考指南
理解超重失重的含义,判断物体的运动和受力的变化情况;关注生产、生活热点,构建物理模型,利用多种方式处理同一中题型,培养发散思维能量。
►知识梳理
一、临界问题
1.临界问题:某种物理现象(或物理状态)刚好要发生或刚好不发生的转折状态.
2.关键词语:在动力学问题中出现的“最大”“最小”“刚好”“恰好”等词语,一般都暗示了临界状态的出现,隐含了相应的临界条件.
3.临界问题的常见类型及临界条件
(1)接触与脱离的临界条件:两物体间的弹力恰好为零.
(2)相对静止或相对滑动的临界条件:静摩擦力达到最大静摩擦力.
(3)绳子断裂与松弛的临界条件:绳子所能承受的张力是有限的,绳子断裂的临界条件是实际张力等于它所能承受的最大张力,绳子松弛的临界条件是张力为零.
(4)加速度最大、最小与速度最大、最小的临界条件:当所受合力最大时,具有最大加速度;当所受合力最小时,具有最小加速度.当出现加速度为零时,物体处于临界状态,对应的速度达到最大值或最小值.
二、超重失重
1.超重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向上的加速度.
2.失重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向下的加速度.
3.完全失重
(1)定义:物体对支持物(或悬挂物)完全没有作用力的现象称为完全失重现象.
(2)产生条件:物体的加速度a=g,方向竖直向下.
4.实重和视重
(1)实重:物体实际所受的重力,它与物体的运动状态无关.
(2)视重:当物体在竖直方向上有加速度时,物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力将不等于物体的重力.此时弹簧测力计的示数或台秤的示数即为视重.
►真题类编
1.(2024•湖南)如图,质量分别为、、、的四个小球、、、,通过细线或轻弹簧互相连接,悬挂于点,处于静止状态,重力加速度为。若将、间的细线剪断,则剪断瞬间和的加速度大小分别为
A., B., C., D.,
2.(2025•北京)模拟失重环境的实验舱,通过电磁弹射从地面由静止开始加速后竖直向上射出,上升到最高点后回落,再通过电磁制动使其停在地面。实验舱运动过程中,受到的空气阻力的大小随速率增大而增大,随时间的变化如图所示(向上为正)。下列说法正确的是
A.从到,实验舱处于电磁弹射过程
B.从到,实验舱加速度大小减小
C.从到,实验舱内物体处于失重状态
D.时刻,实验舱达到最高点
(多选)3.(2023•湖南)如图,光滑水平地面上有一质量为的小车在水平推力的作用下加速运动。车厢内有质量均为的、两小球,两球用轻杆相连,球靠在光滑左壁上,球处在车厢水平底面上,且与底面的动摩擦因数为,杆与竖直方向的夹角为,杆与车厢始终保持相对静止。假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。下列说法正确的是
A.若球受到的摩擦力为零,则
B.若推力向左,且,则的最大值为
C.若推力向左,且,则的最大值为
D.若推力向右,且,则的范围为
(多选)4.(2020•海南)如图,在倾角为的光滑斜面上,有两个物块和,质量分别为和,用与斜面平行的轻质弹簧相连接,在沿斜面向上的恒力作用下,两物块一起向上做匀加速直线运动,则
A.两物块一起运动的加速度大小为
B.弹簧的弹力大小为
C.若只增大,两物块一起向上匀加速运动时,它们的间距变大
D.若只增大,两物块一起向上匀加速运动时,它们的间距变大
5.(2022•江苏)高铁车厢里的水平桌面上放置一本书,书与桌面间的动摩擦因数为0.4,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度。若书不滑动,则高铁的最大加速度不超过
A. B. C. D.
►考点精讲
►考点01 动力学中的临界、极值问题
解法指导
1.常见临界与极值问题的条件
(1)接触与脱离的临界条件:两物体相接触或脱离,临界条件是弹力FN=0。
(2)相对滑动的临界条件:静摩擦力达到最大值。
(3)绳子断裂与松弛的临界条件:绳子断裂的临界条件是绳中张力等于它所能承受的最大张力;绳子松弛的临界条件是FT=0。
(4)最终速度(收尾速度)的临界条件:物体所受合外力为零。
2.动力学临界极值问题的三种解法
极限法
把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)暴露出来,以达到正确解决问题的目的
假设法
临界问题存在多种可能,特别是非此即彼两种可能时,或变化过程中可能出现临界条件,也可能不出现临界条件时,往往用假设法解决问题
数学法
将物理过程转化为数学表达式,根据数学表达式解出临界条件
【例1】(2025•华龙区校级开学)如图所示,、两球质量相等,光滑斜面的倾角为。图甲中、两球用轻弹簧相连,图乙中、两球用轻杆相连。系统静止时,挡板与斜面垂直,弹簧、轻杆均与斜面平行,重力加速度为。在突然撤去挡板的瞬间,则下列说法中正确的是
A.图甲中球的加速度为
B.图甲中球的加速度为
C.图乙中两球间杆的作用力不为零
D.图乙中球的加速度为零
【例2】(2024秋•阳江期末)如图所示,用一根轻质弹簧将小球悬挂在天花板上,用细线将小球悬挂在小球的下方,两小球均处于静止状态。已知小球、的质量之比为,重力加速度大小为,则细线被剪断的瞬间
A.小球的加速度大小为0 B.小球的加速度大小为
C.小球的加速度大小为 D.小球的加速度大小为
【例3】(2024秋•连云港期末)光滑水平面上质量均为的小球、用轻弹簧连接,再用水平轻绳将两小球连接在竖直墙上,此时绳1中拉力大小为。剪断绳1瞬间,、两球的加速度大小为
A. B.
C. D.,
►考点02 超重和失重
解法指导
1.对超重和失重的理解
(1)不论超重、失重或完全失重,物体的重力都不变,只是“视重”改变。
(2)在完全失重的状态下,一切由重力产生的物理现象都会完全消失。
(3)尽管物体的加速度方向不是竖直方向,但只要其加速度在竖直方向上有分量,物体就会处于超重或失重状态。
2.判断超重和失重的方法
从受力的角度判断
当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时,物体处于超重状态;小于重力时,物体处于失重状态;等于0时,物体处于完全失重状态
从加速度的角度判断
当物体具有向上(或斜向上)的加速度时,物体处于超重状态;具有向下(或斜向下)的加速度时,物体处于失重状态;向下的加速度a=g时,物体处于完全失重状态
从速度变化的角度判断
①物体向上加速或向下减速时,超重
②物体向下加速或向上减速时,失重
【例4】(2025•郫都区校级开学)某同学站在压力传感器上,先“下蹲”后“站起”过程中,压力传感器的示数随时间的变化情况如图所示。则
A.“下蹲”过程,人的加速度方向一直向下
B.“下蹲”过程,人的速度先增大后减小
C.“站起”过程,该同学先失重后超重
D.“站起”过程,传感器对人的支持力大于人对传感器的压力
【例5】(2025•贵阳校级开学)某火箭从地面竖直向上发射,其上升过程的速度—时间图像如图所示,则下列说法正确的是
A.火箭在第末的加速度大于在第末的加速度
B.内火箭的平均速度大小为
C.内火箭处于超重状态
D.内火箭上升的高度为
【例6】(2025•朝阳区校级开学)模拟失重环境的实验舱,通过电磁弹射从地面由静止开始加速后竖直向上射出,上升到最高点后回落,再通过电磁制动使其停在地面。实验舱运动过程中,受到的空气阻力的大小随速率增大而增大,随时间的变化如图所示(向上为正)。下列说法正确的是
A.从到,实验舱处于电磁弹射过程
B.从到,实验舱加速度大小减小
C.从到,实验舱内物体处于失重状态
D.时刻,实验舱达到最高点
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专题13 瞬时临界问题 超重和失重
►考点01 动力学中的临界、极值问题 8
►考点02 超重和失重 11
►备考指南
理解超重失重的含义,判断物体的运动和受力的变化情况;关注生产、生活热点,构建物理模型,利用多种方式处理同一中题型,培养发散思维能量。
►知识梳理
一、临界问题
1.临界问题:某种物理现象(或物理状态)刚好要发生或刚好不发生的转折状态.
2.关键词语:在动力学问题中出现的“最大”“最小”“刚好”“恰好”等词语,一般都暗示了临界状态的出现,隐含了相应的临界条件.
3.临界问题的常见类型及临界条件
(1)接触与脱离的临界条件:两物体间的弹力恰好为零.
(2)相对静止或相对滑动的临界条件:静摩擦力达到最大静摩擦力.
(3)绳子断裂与松弛的临界条件:绳子所能承受的张力是有限的,绳子断裂的临界条件是实际张力等于它所能承受的最大张力,绳子松弛的临界条件是张力为零.
(4)加速度最大、最小与速度最大、最小的临界条件:当所受合力最大时,具有最大加速度;当所受合力最小时,具有最小加速度.当出现加速度为零时,物体处于临界状态,对应的速度达到最大值或最小值.
二、超重失重
1.超重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向上的加速度.
2.失重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向下的加速度.
3.完全失重
(1)定义:物体对支持物(或悬挂物)完全没有作用力的现象称为完全失重现象.
(2)产生条件:物体的加速度a=g,方向竖直向下.
4.实重和视重
(1)实重:物体实际所受的重力,它与物体的运动状态无关.
(2)视重:当物体在竖直方向上有加速度时,物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力将不等于物体的重力.此时弹簧测力计的示数或台秤的示数即为视重.
►真题类编
1.(2024•湖南)如图,质量分别为、、、的四个小球、、、,通过细线或轻弹簧互相连接,悬挂于点,处于静止状态,重力加速度为。若将、间的细线剪断,则剪断瞬间和的加速度大小分别为
A., B., C., D.,
【答案】
【分析】剪断前,对整体和对分析列式;剪断瞬间,分别对、分析列式。
【解答】解:剪断前,对整体分析,可得
对分析列式
剪断瞬间,对分析
解得
对分析,其中,则
解得
加速度方向竖直向下,故正确,错误。
故选:。
2.(2025•北京)模拟失重环境的实验舱,通过电磁弹射从地面由静止开始加速后竖直向上射出,上升到最高点后回落,再通过电磁制动使其停在地面。实验舱运动过程中,受到的空气阻力的大小随速率增大而增大,随时间的变化如图所示(向上为正)。下列说法正确的是
A.从到,实验舱处于电磁弹射过程
B.从到,实验舱加速度大小减小
C.从到,实验舱内物体处于失重状态
D.时刻,实验舱达到最高点
【答案】
【分析】根据阻力的方向和大小的变化情况,分析实验舱的速度变化和运动方向,确定实验舱的运动状态;根据牛顿第二定律判断实验舱的加速度变化;根据加速度方向判断超重失重情况。
【解答】解:到时间内,向下,先增大后减小,可知此时速度方向向上,先增大后减小,故实验舱先处于弹射过程后做竖直上抛运动,故错误;
到时间内,向下在减小,可知此时速度方向向上,速度在减小,根据牛顿第二定律有,即,故加速度大小在减小,故正确;
到时间内,向上,先增大后减小,可知此时速度方向向下,先增大后减小,先向下加速后向下减速,加速度先向下后向上,先失重后超重,故错误;
根据前面分析可知时刻速度方向改变,从向上变成向下运动,故时刻到达最高点,故错误。
故选:。
(多选)3.(2023•湖南)如图,光滑水平地面上有一质量为的小车在水平推力的作用下加速运动。车厢内有质量均为的、两小球,两球用轻杆相连,球靠在光滑左壁上,球处在车厢水平底面上,且与底面的动摩擦因数为,杆与竖直方向的夹角为,杆与车厢始终保持相对静止。假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。下列说法正确的是
A.若球受到的摩擦力为零,则
B.若推力向左,且,则的最大值为
C.若推力向左,且,则的最大值为
D.若推力向右,且,则的范围为
【答案】
【分析】若球所受摩擦力为零,对、整体由牛顿第二定律,然后对球由牛顿第二定律;若推力向左,则系统的加速度向左,厢底对的摩擦力达到最大静摩擦力,与左壁弹力为零,此时有最大值;
若推力向左,时,系统的加速度向左,厢底对的摩擦力达到最大静摩擦力,方向水平向左,与左壁弹力为零,此时有最大值
若推力向左,时,与左壁弹力不为零,厢底对的摩擦力达到最大静摩擦力,方向水平向左,此时取最大值;
若推力向右,时,厢底对的摩擦力达到最大静摩擦力,方向水平向右,有最大值,厢底对的摩擦力达到最大静摩擦力,方向水平向左,有最小值。
【解答】解:、设车厢对的弹力为,轻杆对的弹力为,若球所受摩擦力为零,对、整体由牛顿第二定律得,
对球由牛顿第二定律得,
竖直方向:,
联立解得,
对整体由牛顿第二定律得,故错误;
、若推力向左,则系统的加速度向左。
假设杆与车厢始终保持相对静止,且与左壁弹力为零,
对水平方向有,竖直方向有,解得:
在此情况下,设厢底对的静摩擦力为,对整体有:
由于,所以最大静摩擦力,可得:,故假设成立。
所以系统的加速度最大等于,所以最大值为,故错误;
、由的解答可知,时,若与左壁弹力为零,会相对厢底滑动。故与左壁弹力不能为零,当箱底对的静摩擦力达到最大静摩擦力时,达到最大值,则有:
,
整体:,
对竖直方向:,
对水平方向:,
联立解得故正确;
、若推力向右,,厢底对的摩擦力达到最大静摩擦力,方向水平向右,有最大值,
则:
对竖直方向:
联立解得
厢底对的摩擦力达到最大静摩擦力,方向水平向左,有最小值,
则:对整体有
对水平方向有
对竖直方向:
联立解得:
所以
即故正确。
故选:。
(多选)4.(2020•海南)如图,在倾角为的光滑斜面上,有两个物块和,质量分别为和,用与斜面平行的轻质弹簧相连接,在沿斜面向上的恒力作用下,两物块一起向上做匀加速直线运动,则
A.两物块一起运动的加速度大小为
B.弹簧的弹力大小为
C.若只增大,两物块一起向上匀加速运动时,它们的间距变大
D.若只增大,两物块一起向上匀加速运动时,它们的间距变大
【答案】
【分析】对整体受力分析,根据牛顿第二定律求加速度,再对物块,利用牛顿第二定律列式,可求出弹簧弹力的大小。根据弹力的表达式,分析弹力的变化,从而确定弹簧形变量的变化,即可判断它们间距的变化情况。
【解答】解:、对整体受力分析,根据牛顿第二定律有,解得,故错误;
、对受力分析,根据牛顿第二定律有,解得,故正确;
.根据,可知若只增大,两物块一起向上匀加速运动时,弹簧的弹力变大,根据胡克定律可知弹簧的伸长量变大,故它们的间距变大,故正确;
.根据,可知与无关,只增大,两物块一起向上匀加速运动时,弹簧的弹力不变,根据胡克定律可知弹簧的伸长量不变,故它们的间距不变,故错误。
故选:。
5.(2022•江苏)高铁车厢里的水平桌面上放置一本书,书与桌面间的动摩擦因数为0.4,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度。若书不滑动,则高铁的最大加速度不超过
A. B. C. D.
【答案】
【分析】书不滑动,说明书与高铁的加速度相同,书的最大加速度就是二者一起运动最大加速度。
【解答】解:书不滑动,说明书与高铁的加速度相同,书的最大加速度就是二者一起运动最大加速度,
书的最大加速度由最大静摩擦力提供,则
故正确,错误。
故选:。
►考点精讲
►考点01 动力学中的临界、极值问题
解法指导
1.常见临界与极值问题的条件
(1)接触与脱离的临界条件:两物体相接触或脱离,临界条件是弹力FN=0。
(2)相对滑动的临界条件:静摩擦力达到最大值。
(3)绳子断裂与松弛的临界条件:绳子断裂的临界条件是绳中张力等于它所能承受的最大张力;绳子松弛的临界条件是FT=0。
(4)最终速度(收尾速度)的临界条件:物体所受合外力为零。
2.动力学临界极值问题的三种解法
极限法
把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)暴露出来,以达到正确解决问题的目的
假设法
临界问题存在多种可能,特别是非此即彼两种可能时,或变化过程中可能出现临界条件,也可能不出现临界条件时,往往用假设法解决问题
数学法
将物理过程转化为数学表达式,根据数学表达式解出临界条件
【例1】(2025•华龙区校级开学)如图所示,、两球质量相等,光滑斜面的倾角为。图甲中、两球用轻弹簧相连,图乙中、两球用轻杆相连。系统静止时,挡板与斜面垂直,弹簧、轻杆均与斜面平行,重力加速度为。在突然撤去挡板的瞬间,则下列说法中正确的是
A.图甲中球的加速度为
B.图甲中球的加速度为
C.图乙中两球间杆的作用力不为零
D.图乙中球的加速度为零
【答案】
【分析】弹性绳的弹力不能瞬间变化,非弹性绳的弹力可以瞬间变化。根据此规律,判断撤去挡板瞬间,各物体的加速度以及杆的弹力。
【解答】解:、弹簧弹力的变化需要时间,即弹簧的弹力不能瞬间变化,则在突然撤去挡板的瞬间,弹簧的弹力不变,则球的加速度为0。
设和的质量均为,球加速度为0,则弹簧的弹力。
球受重力、斜面的支持力、弹簧弹力的作用,沿斜面方面上由牛顿第二定律可得,联立得。故正确,错误;
、轻杆的弹力可以瞬间变化,突然撤去挡板的瞬间,对球、球、轻杆组成的系统由牛顿第二定律可得:,解得,则球、球的加速度均为。对球分析,由于加速度为,可知轻杆对球的弹力是0,故错误。
故选:。
【例2】(2024秋•阳江期末)如图所示,用一根轻质弹簧将小球悬挂在天花板上,用细线将小球悬挂在小球的下方,两小球均处于静止状态。已知小球、的质量之比为,重力加速度大小为,则细线被剪断的瞬间
A.小球的加速度大小为0 B.小球的加速度大小为
C.小球的加速度大小为 D.小球的加速度大小为
【答案】
【分析】悬线剪断前,以两球为研究对象,求出悬线的拉力和弹簧的弹力。突然剪断悬线瞬间,弹簧的弹力没有来得及变化,分析瞬间两球的受力情况,由牛顿第二定律求解加速度。
【解答】解:细线被剪断前,设的质量为,的质量为,以、为整体,根据受力平衡可得,弹簧弹力为
细线被剪断的瞬间,弹簧弹力保持不变;小球只受重力作用,则小球的加速度大小为;以为对象,根据牛顿第二定律可得
,故正确,错误。
故选:。
【例3】(2024秋•连云港期末)光滑水平面上质量均为的小球、用轻弹簧连接,再用水平轻绳将两小球连接在竖直墙上,此时绳1中拉力大小为。剪断绳1瞬间,、两球的加速度大小为
A. B.
C. D.,
【答案】
【分析】绳子剪断前,求出弹簧的弹力。突然剪断绳1瞬间,弹簧的弹力没有来得及变化,分析瞬间两球的受力情况,由牛顿第二定律求解加速度。
【解答】解:刚开始绳1中拉力大小为,根据受力平衡可知剪断绳1之前弹簧弹力为,剪断绳1瞬间,弹簧的弹力不变,仍为,则此时的加速度
受力不变,则加速度仍为零,即,故正确,错误。
故选:。
►考点02 超重和失重
解法指导
1.对超重和失重的理解
(1)不论超重、失重或完全失重,物体的重力都不变,只是“视重”改变。
(2)在完全失重的状态下,一切由重力产生的物理现象都会完全消失。
(3)尽管物体的加速度方向不是竖直方向,但只要其加速度在竖直方向上有分量,物体就会处于超重或失重状态。
2.判断超重和失重的方法
从受力的角度判断
当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时,物体处于超重状态;小于重力时,物体处于失重状态;等于0时,物体处于完全失重状态
从加速度的角度判断
当物体具有向上(或斜向上)的加速度时,物体处于超重状态;具有向下(或斜向下)的加速度时,物体处于失重状态;向下的加速度a=g时,物体处于完全失重状态
从速度变化的角度判断
①物体向上加速或向下减速时,超重
②物体向下加速或向上减速时,失重
【例4】(2025•郫都区校级开学)某同学站在压力传感器上,先“下蹲”后“站起”过程中,压力传感器的示数随时间的变化情况如图所示。则
A.“下蹲”过程,人的加速度方向一直向下
B.“下蹲”过程,人的速度先增大后减小
C.“站起”过程,该同学先失重后超重
D.“站起”过程,传感器对人的支持力大于人对传感器的压力
【答案】
【分析】物体对支持物的压力大于物体所受重力的现象叫做超重,加速度向上;物体对支持物的压力小于物体所受重力的现象叫做失重,加速度向下。
【解答】解:.“下蹲”过程,压力先小于重力后大于重力,先失重后超重,人的加速度方向先向下后向上,故错误;
.“下蹲”过程,人的速度先增大后减小,故正确;
.“站起”过程,加速度先向上后向下,所以该同学先超重后失重,故错误;
.传感器对人的支持力与人对传感器的压力是作用力与反作用力,根据牛顿第三定律可知两个力大小相等,故错误;
故选:。
【例5】(2025•贵阳校级开学)某火箭从地面竖直向上发射,其上升过程的速度—时间图像如图所示,则下列说法正确的是
A.火箭在第末的加速度大于在第末的加速度
B.内火箭的平均速度大小为
C.内火箭处于超重状态
D.内火箭上升的高度为
【答案】
【分析】利用速度—时间图像的斜率大小来比较不同时刻的加速度大小。加速度向上为超重,加速度向下为失重。根据速度—时间图像与时间轴围成的面积表示位移求上升高度。
【解答】解:.根据速度—时间图像的斜率表示加速度,可知在内加速度大小为
在内加速度大小为
所以火箭在第末的加速度大于在第末的加速度,故正确;
.根据速度—时间图像与时间轴围成的面积表示位移,可得内火箭的位移大小为
则火箭在内的平均速度大小为
故错误;
.根据速度—时间图像可直接看出内火箭向上做匀减速直线运动,所以加速度向下,可知火箭在该时间段内处于失重状态,故错误;
.根据速度—时间图像与时间轴围成的面积表示位移,可得内火箭上升的高度为
故错误。
故选:。
【例6】(2025•朝阳区校级开学)模拟失重环境的实验舱,通过电磁弹射从地面由静止开始加速后竖直向上射出,上升到最高点后回落,再通过电磁制动使其停在地面。实验舱运动过程中,受到的空气阻力的大小随速率增大而增大,随时间的变化如图所示(向上为正)。下列说法正确的是
A.从到,实验舱处于电磁弹射过程
B.从到,实验舱加速度大小减小
C.从到,实验舱内物体处于失重状态
D.时刻,实验舱达到最高点
【答案】
【分析】由题图结合牛顿第二定律判断实验舱的运动情况,结合超重和失重的概念即可解题。
【解答】解:、由题图可知,在时间内,向下,先增大后减小,可知此时速度方向向上,先增大后减小,故实验舱先处于弹射过程后做竖直上抛运动,故错误;
、由题图可知,在时间内,向下在减小,可知此时速度方向向上,速度在减小,根据牛顿第二定律有:,解得:,故加速度大小在减小,故正确;
、由题图可知,在时间内,向上,先增大后减小,可知此时速度方向向下,先增大后减小,先向下加速后向下减速,加速度先向下后向上,先失重后超重,故错误;
、根据前面分析可知,时刻速度方向改变,从向上变成向下运动,故时刻到达最高点,故错误。故选:。
学科网(北京)股份有限公司
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