内容正文:
第8章 立体几何初步
8.6.3 第1课时
平面与平面垂直的判定
人教A版· 必修第二册·
学习目标
1.通过实例直观感知二面角的概念,理解二面角及其平面角的定义,掌握二面角平面角的一般作法,会求简单二面角的平面角。
2.类比直线与平面垂直的定义,理解平面与平面垂直的定义,掌握平面与平面垂直的判定定理。
3.能运用定义和判定定理证明空间中两个平面互相垂直,体会“线面垂直”到“面面垂直”的转化思想。
4.经历“直观感知—操作确认—抽象概括”的探究过程,提升空间想象能力和逻辑推理能力,感受数学与生活的联系。
目录
CATALOG
01.二面角以及二面角的平面角
03.题型强化训练
02.平面与平面垂直的定义和判定定理
04.小结及随堂练习
01
二面角以及二面
角的平面角
8.6.3 平面与平面垂直(第1课时)
平面与平面垂直的判定
导入新知1:折叠雨伞中的空间奥秘
教师手持一把可折叠雨伞,先将雨伞完全撑开,让学生观察伞面与伞柄、伞骨构成的空间图形;再缓慢收拢雨伞,引导学生关注伞面之间的角度变化,以及伞柄与地面的垂直关系。
1. 当雨伞完全撑开时,任意两个相邻伞面所在的平面相交,形成的“空间角”和我们平面几何中的角有什么不同?该如何描述这个“角”的大小?
2. 伞柄垂直于地面时,撑开的伞面与地面是否垂直?如果伞柄倾斜,伞面还能与地面保持垂直吗?这背后蕴含着怎样的数学规律?
生活中我们总希望雨伞能稳定站立(伞柄垂直地面),此时伞面与地面的垂直关系,能否通过伞柄与地面、伞柄与伞面的关系来判定?
导入新知2:门窗开合的空间逻辑
门窗开合是生活中常见的场景,房门开关时与墙面相交形成变化的角,完全关闭时房门与墙面垂直;窗户推拉或平开时,其所在平面与墙体也存在特定的空间关系。这一日常场景中,藏着空间角、直线与平面垂直的核心逻辑 .
1.打开的房门与墙面相交形成的角,随着门的开合其大小不断变化,这个角是平面角吗?我们该用什么数学概念来定义它?
2.当房门完全关闭时,房门所在平面与墙面垂直,此时门轴(棱)与地面、墙面的关系是什么?若门轴不垂直于地面,房门还能与墙面保持垂直吗?
3.装修时,工人如何确保安装的窗户所在平面与墙体垂直?能否通过某个简单的垂直关系来快速判定?
学习新知
像研究直线与平面垂直一样,我们首先应给出平面与平面垂直的定义.那么,该如何定义呢?不妨回顾一下直线与平面垂直、直线与直线垂直的定义过程.
在定义直线与平面垂直时,我们利用了直线与直线的垂直.所以,直线与直线垂直是研究直线、平面垂直问题的基础.
在平面几何中,我们先定义了角的概念,利用角刻画两条相交直线的位置关系,进而研究直线与直线互相垂直这种特殊情况,类似地,我们需要先引进二面角的概念,用以刻画两个相交平面的位置关系,进而研究两个平面互相垂直.
学习新知
如图8.6-21,从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角
(dihedral angle).这条直线叫做二面角的棱,这两个半平面叫做二面角的面.
l
A
B
P
Q
平面内的一条直线把平面分成两部分,这两部分通常称为半平面.
学习新知
二面角的记法
A
B
二面角-AB-
A
B
C
D
二面角C-AB- D
l
l
二面角- l-
学习新知
【思考】
如图 8.6-22,在日常生活中,我们常说"把门开大一些",是指哪个角大一些?受此启发,你认为应该怎样刻画二面角的大小呢?
那么该如何定量地刻画两平面的位置关系呢?根据前面研究异面直线所成的角和直线与平面所成的角的经验,我们可以用一个平面角来度量二面角的大小.这样的平面角该如何建构呢?
学习新知
【问题】
在二面角的棱上任取一点,从该点出发,分别在两个半平面内任作一条射线,可得一个平面角,这样的平面角能用来刻画二面角的大小吗?为什么?如果不能,又该如何作图呢?
不能,因为角的大小会由于所作射线的位
置不一样而不同,而度量一个量的基本要求
是“唯一性”.
P
A
B
以棱上给定的一点为顶点,在两个半平面内分别作垂直于棱的射线形成的角度是唯一确定的.
学习新知
二面角的平面角的定义:
在二面角α-l-β的棱l上任取一点O,以点O
为垂足,在半平面α和β内分别作垂直于棱l的
射线OA和OB,则射线OA和OB构成的∠AOB
叫做二面角的平面角.
A
B
β
α
l
O
问题:∠AOB 的大小与点O在棱l上的位置有关吗?为什么?
根据空间等角定理,∠AOB的大小与点O在棱l上的位置无关.
二面角的大小可以用它的平面角来度量,二面角的平面角是多少度,就说这个二面角是多少度.
学习新知
二面角的取值范围:
二面角的平面角θ的取值范围为0o≤θ≤180o.
直二面角的定义:
我们把平面角是直角的二面角叫做直二面角.
锐二面角
直二面角
钝二面角
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 判断面面是否垂直、判断线面平行
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 判断面面是否垂直
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 判断面面是否垂直
02
平面与平面垂直的定义和判定定理
8.6.3 平面与平面垂直(第1课时)
平面与平面垂直的判定
学习新知
【观察】
教室相邻的两个墙面与地面可以构成几个二面角?分别指出构成这些二面角的面、棱、平面角及其度数.
教室里的墙面所在平面与地面所在平面相交,它们所成的二面角是直二面角,我们常说墙面直立于地面上.
学习新知
两平面垂直的定义:
一般地, 两个平面相交,如果它们所成的二面角是直二面角,就说这
两个平面互相垂直.平面α与β垂直,记作α⊥β.
如图 8.6-24,画两个互相垂直的平面时,通常把表示平面的两个平行
四边形的一组边画成垂直.
图 8.6-24
学习新知
【观察】
建筑工人在砌墙时,常用铅锤来检测所砌的墙面与地面是否垂直.如果系有铅锤的细线紧贴墙面,就认为墙面垂直于地面.这种方法说明了什么道理?
这种方法告诉我们,如果墙面经过地面的垂线,那么墙面与地面垂直.
在明确了两个平面互相垂直的定义的基础上,我们研究两个平面垂直的判定和性质.先研究平面与平面垂直的判定.
学习新知
类似结论也可以在长方体中发现.如图,在长方体ABCD-A'B'C'D'中,平面ADD'A'经过平面ABCD的一条垂线AA',此时,平面ADD'A'垂直于平面ABCD.
图8.6-25
平面与平面垂直的判定定理:
如果一个平面经过另一个平面的一条垂线,那么这两个平面互相垂直.
符号语言:
这个定理说明了,可以由直线与平面垂直证明平面与平面垂直.
学习新知
例7:
【证明】
A
B
C
D
图8.6-27
学习新知
【详解】
【变式】
学习新知
证明平面与平面垂直的两个常用方法
(1)利用定义:证明二面角的平面角为直角,其判定的方法是:
①找出两相交平面的平面角;
②证明这个平面角是直角;
③根据定义,这两个相交平面互相垂直.
学习新知
利用面面垂直的判定定理:
要证面面垂直,只要证线面垂直.即在其中一个平面内寻找一条直线与另一个平面垂直.这是证明面面垂直的常用方法,其基本步骤是:
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 判断面面是否垂直
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 线面垂直证明线线垂直、判断面面是否垂直
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 判断线面是否垂直、面面关系有关命题的判断
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 线面关系有关命题的判断
学习新知
例8:
【证明】
分析:要证明两个平面垂直,根据两个平面垂直的判定定理,只需证明其中一个平面内的一条直线垂直于另一个平面.而由直线和平面垂直的判定定理,还需证明这条直线和另一个平面内的两条相交直线垂直.
P
A
B
O
C
图8.6-28
学习新知
例8:
P
A
B
O
C
图8.6-28
学习新知
【变式】
在四面体A-BCD中,AB⊥平面BCD,BC ⊥CD,你能在图中发现哪些平面互相垂直,为什么?
由AB⊥平面BCD可知:
平面ABC⊥平面BCD,平面ABD⊥平面BCD.
易证:CD⊥平面ABC,故:平面ACD⊥平面ABC.
教科书第158页的例8以及练习的第3题中出现的四面体在中国古代被称为“鳖臑”,即四个面都是直角三角形的三棱锥.“鳖臑”是用来展示空间垂直关系的经典素材,值得我们关注.
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 判断线面是否垂直、判断面面是否垂直
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 证明面面垂直、线面垂直证明线线垂直
【详解】由已知可得,,所以有.
故选:B.
牛刀小试 判断线面平行、判断面面是否垂直
学习新知
利用面面垂直的判定定理:要证面面垂直,只要证线面垂直.即在其中一个平面内寻找一条直线与另一个平面垂直.这是证明面面垂直的常用方法,其基本步骤是:
学习新知
四个面都是直角三角形的四面体称之为“鳖臑”;
将底面为长方形且有一条侧棱与底面垂直的四棱锥称之为“阳马”;
底面是直角形的直三棱柱称之为“堑堵”.
堑堵
阳马
鳖臑
学习新知
四个面都是直角三角形的四面体称之为“鳖臑”;
将底面为长方形且有一条侧棱与底面垂直的四棱锥称之为“阳马”;
底面是直角形的直三棱柱称之为“堑堵”.
两个堑堵组成
一个长方体
一个阳马和一个
鳖臑组成一个堑堵
两个鳖臑组成
一个阳马
03
题型强化训练
8.6.3 平面与平面垂直(第1课时)
平面与平面垂直的判定
能力提升
【练习1】
题型一 求二面角
能力提升
能力提升
【感悟提升】
题型一 求二面角
1.求二面角的平面角的大小的步骤
(1)作:作出平面角,一般在交线上找一特殊点,分别在两个半平面内向交线作垂线.
(2)证:证明所作的角满足定义,并指出二面角的平面角.
(3)求:将作出的角放到三角形中,利用解三角形求出角的大小.
(4)结论.
能力提升
【感悟提升】
题型一 求二面角
2.确定二面角的平面角的方法
能力提升
【练习2】
题型二 用定义法证明平面与平面垂直
能力提升
能力提升
【感悟提升】
题型二 用定义法证明平面与平面垂直
用定义证明两个平面垂直的步骤
利用两个平面互相垂直的定义可以直接证明两个平面垂直,证明的步骤是:
①找出两个相交平面的二面角的平面角;
②证明这个二面角的平面角是直角;
③根据定义,这两个平面互相垂直.
能力提升
【练习3】
题型三 平面与平面垂直的定义和判定
在四棱锥P﹣ABCD中,四边形ABCD为菱形,PA⊥平面ABCD,E是PD中点,下列叙述正确的是( )
A.CE∥平面PAB B.CE⊥平面PAD
C.平面PBC⊥平面PAB D.平面PBD⊥平面PAC
【详解】对于A,∵四边形ABCD是菱形,则CD∥AB,∵CD 平面PAB,AB⊂平面PAB,∴CD∥平面PAB,若CE∥平面PAB,∵CE∩CD=C,则平面PCD∥平面PAB,事实上平面PCD与平面PAB相交,假设不成立,故A错误;
能力提升
对于B,过点C在平面ABCD内作CF⊥AD,垂足为点F,∵PA⊥平面ABCD,CF⊂平面ABCD,∴CF⊥PA,∵CF⊥AD,PA∩AD=A,
∴CF⊥平面PAD,∵过C作平面PAD的垂线有且只有一条,∴CE与平面PAD不垂直,故B错误;
对于C,过点C在平面ABCD内作CM⊥AB,垂足为点M,∵PA⊥平面ABCD,CM⊂平面ABCD,则CM⊥PA,
∵CM⊥AB,PA∩AB=A,则CM⊥平面PAB,
若平面PBC⊥平面PAB,
过点C在平面PBC内作CN⊥PB,垂足为点N,
∵平面PBC⊥平面PAB,
能力提升
平面PAB∩平面PAB=PB,CN⊂平面PBC,
∴CN⊥平面PAB,∵过点C作平面PAB的垂线有且只有一条,
∴CM,CN重合,∴平面ABCD∩平面PBC=BC,∴CM,CN,CB重合,BC⊥AB,∵四边形ABCD是菱形,BC与AB不一定垂直,故C错误;
对于D,∵四边形ABCD是菱形,∴BD⊥AC,∵PA⊥平面ABCD,BD⊂平面ABCD,∴BD⊥PA,∵PA∩AC=A,∴BD⊥平面PAC,∵BD⊂平面PBD,∴平面PBD⊥平面PAC,故D正确.
故选:D.
能力提升
【反思感悟】
题型三 平面与平面垂直的定义和判定
证明平面与平面垂直的方法
(1)利用定义:证明二面角的平面角为直角.
(2)利用面面垂直的判定定理,其实质归根结底还是找一条直线与平面内的两条相交直线垂直,一定要把定理用符号语言叙述完整.
能力提升
【练习4】
题型四 利用判定定理证明面面垂直
能力提升
能力提升
【感悟提升】
题型四 利用判定定理证明面面垂直
证明面面垂直的方法
04
小结及随堂练习
8.6.3 平面与平面垂直(第1课时)
平面与平面垂直的判定
课堂总结1
1.知识清单:
(1)二面角以及二面角的平面角.
(2)平面与平面垂直的定义和判定定理.
(3)平面与平面垂直的性质定理.
2.方法归纳:转化法.
3.常见误区:面面垂直性质定理中在其中一个面内作交线的垂线,
与另一个平面垂直.
课堂总结2
二面角的定义:
如图,从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角.
这条直线叫做二面角的棱,这两个半平面叫做二面角的面.
二面角的记法:
①棱为AB,面为α、β的二面角记作二面角α-AB-β;
②也可在α、β内(棱以外的半平面部分)分别取
点P、 Q,将这个二面角记作二面角P-AB-Q;
③棱记作l,这个二面角记作二面角α-l-β或P-l-Q.
l
A
B
β
α
.P
.Q
棱
面
课堂总结3
二面角的平面角的定义:
在二面角α-l-β的棱l上任取一点O,以点O为垂足,在半平面α和β内分别作垂直于棱l的射线OA和OB,则射线OA和OB构成的∠AOB叫做二面角的平面角.
O
A
B
β
α
l
二面角的大小可以用它的平面角来度量,二面角的平面角是多少度,就说这个二面角是多少度.
二面角的平面角θ的取值范围为0o≤θ≤180o.
我们把平面角是直角的二面角叫做直二面角.
课堂总结4
两平面垂直的判定定理:
如果一个平面经过另一个平面的一条垂线,那么这两个平面互相垂直.
符号语言:
课堂总结5
作业
8.6.3 平面与平面垂直(第1课时)
平面与平面垂直的判定
教材159页练习第4题,
教材163页习题8.6第7,8题。
练习(第158页)
1.如图,检查工件的相邻两个(平)面是否垂直时,只要用曲尺的一边紧靠在工件的一个面上,另一边在工件的另一个面上转动,观察尺边和这个面是否密合就可以了.这是为什么?
当曲尺的另一边在工件的另一个面上转动时,如果和另一个面密合,曲尺紧靠工件一个面的边就与另一个面内无 数条相交直线都垂直,从而这边就与另一个面垂直. 同时, 这边紧靠工件的一个面,可看成这边在这个面内,故这两个面垂直.
(第1题)
a
b
D
a
b
a
A
B
C
D
B
C
A
D
人教A版· 必修第二册·
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1. 若直线
与平面
相交,则下列结论错误的是( )
A.平面
内有无数条直线和直线
异面 B.平面
内有无数条直线和直线
相交
C.平面
内存在直线和直线
平行 D.平面
内存在直线和直线
垂直
【详解】因为直线与平面相交,所以平面内的直线与直线的关系为相交或异面,
设直线与平面交于点,对于A,当平面内的直线不过交点时,和直线异面,故A正确;
对于B,当平面内的直线过交点时,此时过点的直线和直线相交,
因为平面内过交点的直线有无数条,故B正确;
对于C,若平面内存在直线和直线平行,
根据线面平行的判定定理得出平面,与已知矛盾,故C错误;
对于D,如果直线与平面垂直,则平面内任意直线均和垂直;
如果直线与平面不垂直,过点作直线与平面垂直,
则直线与直线相交且能确定唯一平面,且与平面垂直,故在平面内可找到直线与平面垂直,即与直线垂直,故D正确.
故选:C
2. 已知直四棱柱
的底面ABCD是正方形,则下列结论不一定成立的是( )
A.平面
平面
B.平面
平面
C.平面
平面
D.平面
平面
【详解】如下图所示,直四棱柱的底面ABCD是正方形,结合直棱柱的结构特征,易知平面平面,
平面平面,平面平面,故A,B,C成立;
当且仅当直四棱柱为正方体时,平面平面,
D不一定成立.
故选:D
3.设
,
是两条不同的直线,
,
,
是三个不同的平面,下列说法中正确的个数为( )
①若
,
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 ,则
,
为异面直线 ②若
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 ,
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 ,则
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
③若
,
,
,则
④若
,
,
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 ,则
⑤若
,
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 ,
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 ,则
A.1
B.2
C.3
D.4
【详解】对于①,由,得平面中存在直线与直线n平行,
所以,有可能平行,所以①错误;
对于②,由平面平行的性质可判断②正确;
对于③,若,,则,因为,所以,所以③正确;
对于④,若,,所以,又,所以,所以④错误;
对于⑤,若,,则,又,所以,所以⑤正确.
故正确的个数是3.
故选:C.
平面
与平面
垂直.如连接
,根据
是正方体,所以
,又
底面
,所以
,又
和
相交,所以
平面
,所以
,同理
,
,
所以
平面
,又
平面
,
所以平面
平面
.
如图,在正方体
中,判断平面
与平面
是否垂直,并说明你的理由.
已知
、
是不同的平面,
为
内的一条直线,则“
”是“
”的( )条件
A.充分不必要条件
B.必要不充分条件
C.充要条件
D.既不充分也不必要条件
【详解】非充分性:不能推出,
必要性:,
则“”是“”的必要不充分条件.
故选:B
5. 已知
、
是两条不同的直线,
、
是两个不同的平面,则下列命题中正确的是( ).
A.若
,
,
,则
B.若
,
,
,则
C.若
,
,
,则
D.若
,
,
,则
【详解】对于A:若,,,则或与异面或相交,故A错误;
对于B:若,,,则或相交,故B错误;
对于C:若,,,则相交或或与异面,故C错误;
对于D:若,,,则,故D正确.
故选:D.
6. 设
是互不重合的平面,m,n是互不重合的直线,给出四个命题:
①若m∥
,m∥
,则
∥
②若
⊥
,
⊥
,则
⊥
③若m⊥
,m⊥
,则
∥
④若m∥
,n⊥
,则m∥n
其中正确命题的个数是( )
A.1
B.2
C.3
D.4
【详解】对①,若m∥,m∥,则与平行或相交,①错误;
对②,若⊥,⊥,则与平行或相交,②错误;
对③,若m⊥,m⊥,则∥成立,③正确;
对④,若m∥,n⊥,则m⊥n,④错误;
故选:A.
已知两条不同的直线
与两个不同的平面
,下列命题正确的是( )
A.若
,则
B.若
,则
C.若
,则
D.若
,则
【详解】对于A,若,则与的位置关系不确定,可能平行、相交或,故A错误;
对于B,若,则或,故B错误;
对于C,若,则存在,使,又,所以,由面面垂直的判定定理得,故C正确;
对于D,若,则与相交、平行或异面,故D错误.
故选:C.
8. 如图,
为圆
的直径,
垂直于圆
所在的平面,
为圆周上不与点
、
重合的点,
于
,
于
,则下列结论不正确的是( ).
A.
平面
B.平面
平面
C.
平面
D.平面
平面
【详解】对于A选项,因为为圆的直径,为圆周上不与点、重合的点,
所以,因为平面,平面,所以,
因为,、平面,所以平面,A对;
对于B选项,因为平面,平面,所以平面平面,B对;
对于C选项,因为平面,平面,所以,又因为,,、平面,所以平面,因为过点作平面的垂线有且只有一条,故与平面不垂直, C错;
对于D选项,因为平面,平面,所以平面平面,D对.
故选:C.
如图,在四面体
中,
平面
,
,
则该四面体的四个表面中,互相垂直的平面有( ).
A.1对
B.2对
C.3对
D.4对
【详解】由平面,平面,平面,得平面平面,平面平面,平面与平面不垂直;由平面,平面,得,而,平面,则平面,
又平面,因此平面平面,平面与平面不垂直;
假定平面平面,在平面内过点作于,连接,
由是斜边,得不与点重合,由平面平面,
得平面,而平面,则,又平面,于是平面,又平面,则,由平面,平面,得,而平面,因此与矛盾,即平面与平面不垂直, 所以平面平面,平面平面,平面平面,共有3对.
故选:C
10.若
为两条不同直线,
为两个不同平面,则下列结论中正确的是( )
A.若
,
,则
B.若
,
,则
C.若
,
,则
D.若
,
,则
【详解】若,,则或为异面直线,故A错误;
若,,则或,故B错误;
若,,则,满足面面垂直的判定定理,故C正确;
若,,这缺少了2个条件,即,
才可以得到,故D错误;
故选:C.
如图,在三棱锥
中,
,
平面
.
(1)求证:平面
平面
(2)若
,求二面角
的正切值
【详解】(1)
平面
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4 ,
平面
平面
平面
EMBED Equation.DSMT4 平面
,
平面
平面
.
(2)设
是
的中点,过
于
,连接
在
中
EMBED Equation.DSMT4 平面
EMBED Equation.DSMT4 平面
平面
,
平面
EMBED Equation.DSMT4 又
平面
是二面角
的平面角.
设
,则在
中,
,所以
.
【详解】对于A中,由已知
底面
,且底面
为矩形,所以
,且
,
平面
,所以
平面
,又由
平面
,所以平面
平面
,所以A正确;对于B中,由已知
底面
,且底面
为矩形,所以
,且
,
平面
,所以
平面
,又由
平面
,所以平面
平面
,所以
在四棱锥
中,已知
底面
,且底面
为矩形,则下列结论中错误的是( )
A.平面
平面
B.平面
平面
C.平面
平面
D.平面
平面
B正确;对于C中,由已知
底面
,且底面
为矩形,所以
,且
,
平面
,所以
平面
,又由
平面
,所以平面
平面
,所以C正确;对于D中,设
为平面
与平面
的交线,因为
,
平面
,
平面
,所以
平面
,
因为
为平面
与平面
的交线,所以
,又
,所以
,因为
平面
,
平面
,所以
,所以
,又
底面
,所以
,所以
,所以
为平面
与平面
的二面角,
若平面
平面
,则
,而
底面
,
所以
,此时三角形
内角和大于
,所以平面
与平面
不垂直,所以D错误. 故选:D.
【详解】
,
,
EMBED Equation.DSMT4 在
中,
,
,又
且
,
平面
,又
平面
,
平面
平面
平面
,平面
平面
,故AB正确;
如图所示,在三棱锥
中,
且
,
,
,则下列命题不正确的是( )
A.平面
平面
B.平面
平面
C.平面
平面
D.平面
平面
在
中,
,
,
,
平面
,又
平面
,
平面
平面
,故D正确;对于C选项,若假设平面
平面
,则过
作
于
,如图由平面
平面
,
平面
,可得
,又
,
,
平面
,
,这与
中
矛盾,故假设不正确,故C选项错误.
故选:C
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