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第3課時(shí)氣體的性質(zhì)
【目標(biāo)要求】1.掌握氣體壓強(qiáng)的計(jì)算方法。2.掌握氣體實(shí)驗(yàn)定律的內(nèi)容、適用條件,并會(huì)應(yīng)用
解決問(wèn)題。3.會(huì)分析氣體狀態(tài)變化的圖像問(wèn)題。
考點(diǎn)一氣體壓強(qiáng)的計(jì)算
1.活塞模型
如圖所示是最常見(jiàn)的封閉氣體的兩種方式。
產(chǎn)
喔V
-
7
乙
求氣體壓強(qiáng)的基本方法:先對(duì)活塞進(jìn)行受力分析,然后根據(jù)平衡條件或牛頓第二定律列方程。
圖甲中活塞的質(zhì)量為小,活塞橫截面積為S,外界大氣壓強(qiáng)為po。由于活塞處于平衡狀態(tài),
所以poS+wg=pS,則氣體的壓強(qiáng)為P=P()+望。
圖乙中的液柱也可以看成“活塞”,由于液柱處于平衡狀態(tài),所以pS+/g=poS,
則氣體壓強(qiáng)為p=po—5=po-pagho
2.連通器模型
如圖所示,U形管豎直放置。同一液體中的相同高度處壓強(qiáng)一定相等,所以氣體2和A的壓
強(qiáng)關(guān)系可由圖中虛線聯(lián)系起來(lái)。
貝!1有PB+pgh2=PA,ffi!PA=po+pgh1,
所以氣體B的壓強(qiáng)為PB=PO+pg(hi-hi)o
【例1】若已知大氣壓強(qiáng)為°o,液體密度均為",重力加速度為g,圖甲、乙中汽缸橫截面積
為S,不計(jì)摩擦力,下列圖中各裝置均處于靜止?fàn)顟B(tài),求各裝置中被封閉氣體的壓強(qiáng)。
甲乙丙
答案甲:00—甯
十也7
丙:p()—pghT:po+pghi戊:p。一2pgh
己:Pa=po+"g(力2—hl—hi)Pb=po+"g(〃2-h\)
解析題圖甲:選汽缸為研究對(duì)象,受力分析如圖(a)所示,
由平衡條件知p0S=p甲S+Mg,得p甲=〃0—爭(zhēng)。
題圖乙:選活塞為研究對(duì)象,受力分析如圖(b)所示
P甲S
Mgmg
(a)(b)
由平衡條件,有p乙S下sina=poS上+外十機(jī)8,
=
Z*NMg,S下sina=S上,
ST為活塞下表面面積,S上為活塞上表面面積,即S±=S,由以上得pr=而+(””叫
題圖丙中,以5液面為研究對(duì)象,由平衡條件有
p丙S+pghS=poS,所以p丙=〃()—"g/z
題圖丁中,以A液面為研究對(duì)象,由平衡條件有
p-rS=poS+pghiS
所以,r=po+pghr
題圖戊中,以5液面為研究對(duì)象,由平衡條件有
p戊S+〃g〃sin6O°'S=poS
所以p戊=〃0—2Pgh
題圖己中,從開(kāi)口端開(kāi)始計(jì)算,右端大氣壓強(qiáng)為po,同種液體同一水平面上的壓強(qiáng)相同,
所以Z?氣柱的壓強(qiáng)為pb=po+pg(hi~hi),故a氣柱的壓強(qiáng)為pa=pb~pgh3=po+pg(hi-h\—
力3)。
考點(diǎn)二氣體實(shí)驗(yàn)定律理想氣體狀態(tài)方程
內(nèi)容表達(dá)式圖像
一定質(zhì)量的某種氣體,在溫
p
玻意耳定律度不變的情況下,壓強(qiáng)與體P1%=P2v2V
0*V
積成反比
一定質(zhì)量的某種氣體,在體包=在
TiFp
查理定律積不變的情況下,壓強(qiáng)與熱
拓展:Ap=^AT0*T
力學(xué)溫度成正比
一定質(zhì)量的某種氣體,在壓V1_V2
蓋一呂薩克TiFV
強(qiáng)不變的情況下,其體積與
定律拓展:AV=^-ATO1
熱力學(xué)溫度成正比
理想氣體:在任何溫度、任何壓強(qiáng)下都遵從氣體實(shí)當(dāng)僉定律的氣體。
①在壓強(qiáng)不太大、溫度不太低時(shí),實(shí)際氣體可以看彳乍理想氣體。
②理想氣體的分子間除碰撞外不考慮其他作用,一]藝質(zhì)量的某種理想氣體
理想氣體狀的內(nèi)能僅由溫度決定。
態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程:嘴一若或?qū)懸籆(質(zhì)量定的理想氣體)
*克拉伯龍方程:pV—“RT,其中”表小物質(zhì)的量,M-J7,R為常數(shù),對(duì)
所有氣體都相等。
思考請(qǐng)從微觀的角度解釋氣體實(shí)驗(yàn)三定律。
⑴玻意耳定律的微觀解釋:
一定質(zhì)量的某種理想氣體,溫度保持不變時(shí),分子的平均動(dòng)能不變。體積減小時(shí),分子的數(shù)
密度增大,氣體的壓強(qiáng)增大。
⑵查理定律的微觀解釋:
一定質(zhì)量的某種理想氣體,體積保持不變時(shí),分子的數(shù)密度保持不變,溫度升高時(shí),分子的
平均動(dòng)能增大,氣體的壓強(qiáng)增大。
(3)蓋一呂薩克定律的微觀解釋:
一定質(zhì)量的某種理想氣體,溫度升高時(shí),分子的平均動(dòng)能增大。只有氣體的體積同時(shí)增大,
使分子的數(shù)密度減小,才能保持壓強(qiáng)不變。
■判斷正誤
1.理想氣體是一種假想的物理模型,實(shí)際上并不存在。(V)
2.理想氣體嚴(yán)格遵守氣體實(shí)驗(yàn)定律。(V)
3.一定質(zhì)量的理想氣體,溫度升高時(shí)壓強(qiáng)一定增大。(X)
4.一定質(zhì)量的理想氣體溫度升高,氣體的內(nèi)能一定增大。(V)
【例2】(2023?河南安陽(yáng)市模擬)如圖所示,上端開(kāi)口、橫截面積為S且導(dǎo)熱性能良好的汽缸放
置在水平面上,大氣壓強(qiáng)為po。汽缸內(nèi)有一卡子,橫截面積為S的輕質(zhì)活塞上面放置一個(gè)質(zhì)
量為m的重物,活塞下面密封一定質(zhì)量的理想氣體。當(dāng)氣體溫度為T(mén)i時(shí),活塞靜止,此位
置活塞與卡子距離為活塞與汽缸底部距離的提現(xiàn)緩慢降低汽缸溫度,活塞被卡子托住后,繼
續(xù)降溫,直到缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)為土生已知重力加速度為g,活塞厚度、汽缸壁厚度及活塞與汽
缸壁之間的摩擦均不計(jì)。求:
(1)活塞剛接觸卡子瞬間,缸內(nèi)氣體的溫度;
(2)缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)為時(shí)氣體的溫度。
答案(1&(2%/野、
3^(poS+mg)
解析(1)活塞被卡子托住前,氣體經(jīng)歷等壓變化,設(shè)活塞剛剛接觸卡子時(shí)氣體的溫度為4
人ViV?
根據(jù)蓋一呂游克定律有五
11
式中Vi=5Li,V2=SL2
根據(jù)題意£2=(1—
2
聯(lián)五解得丁2=耳7\
(2)活塞被卡子托住后,再降低溫度,氣體經(jīng)歷等容變化,根據(jù)查理定律有祟=祟,式中面=
1213
1
70
根據(jù)力的平衡條件有P2=P1=P°+等
PGST1
聯(lián)立可得73=
3(poS+mg)
m31(2023?河南鄭州市調(diào)研)如圖所示,足夠長(zhǎng)U形管豎直放置,左右兩側(cè)分別用水銀封有
A、B兩部分氣體,氣柱及液柱長(zhǎng)度如圖中標(biāo)注所示。已知大氣壓強(qiáng)為po=76cmHg,Li=6cm,
/zi=4cm,/72=32cm,管壁導(dǎo)熱良好,環(huán)境溫度為a=-3°C且保持不變。
(1)若從右側(cè)緩慢抽出一部分水銀,使下方液柱左右液面相平,則需要從右側(cè)管中抽出多長(zhǎng)的
水銀?
(2)若僅緩慢加熱A部分氣體,使下方液柱左右液面相平,則此時(shí)A部分氣體溫度為多少?(結(jié)
果保留整數(shù))
答案(1)30cm(2)374K
解析(1)設(shè)抽出的水銀長(zhǎng)度為A/z,設(shè)管的橫截面積為S,A部分氣體初始?jí)簭?qiáng)為小,水銀密
度為/),貝"有pi+/g/7i=po+2g〃2,解得pi=104cmHg
液面相平時(shí),設(shè)A部分氣體壓強(qiáng)為02,
。2=po+pg(Jn-Ah)
對(duì)A氣體,根據(jù)玻意耳定律可得
「115="1+駢,聯(lián)立解得A/?=30cm
(2)若僅緩慢加熱A部分氣體,使下方液柱左右液面相平,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有
hi
P2
plLiS_'
TiT2
其中Ti=(-3+273)K=270K,
pi'=po+pg//2=108cmHg,解得AQ374K。
m4】(2021?遼寧卷44)如圖(a)所示,“系留氣球”是一種用纜繩固定于地面、高度可控的
氫氣球,作為一種長(zhǎng)期留空平臺(tái),具有廣泛用途。圖(b)為某一“系留氣球”的簡(jiǎn)化模型圖;
主、副氣囊通過(guò)無(wú)漏氣、無(wú)摩擦的活塞分隔,主氣囊內(nèi)封閉有一定質(zhì)量的氫氣(可視為理想氣
體),副氣囊與大氣連通。輕彈簧右端固定、左端與活塞連接。當(dāng)氣球在地面達(dá)到平衡時(shí),活
塞與左擋板剛好接觸,彈簧處于原長(zhǎng)狀態(tài)。在氣球升空過(guò)程中,大氣壓強(qiáng)逐漸減小,彈簧被
緩慢壓縮。當(dāng)氣球上升至目標(biāo)高度時(shí),活塞與右擋板剛好接觸,氨氣體積變?yōu)榈孛鏁r(shí)的1.5
倍,此時(shí)活塞兩側(cè)氣體壓強(qiáng)差為地面大氣壓強(qiáng)的焉。已知地面大氣壓強(qiáng)po=l.O><lO5pa、溫度
7b=300K,彈簧始終處于彈性限度內(nèi),活塞厚度忽略不計(jì)。
主氣囊
⑴設(shè)氣球升空過(guò)程中氮?dú)鉁囟炔蛔?,求目?biāo)高度處的大氣壓強(qiáng)p;
⑵氣球在目標(biāo)高度處駐留期間,設(shè)該處大氣壓強(qiáng)不變。氣球內(nèi)外溫度達(dá)到平衡時(shí),彈簧壓縮
量為左、右擋板間距離的熱求氣球駐留處的大氣溫度兀
答案(1)5X104Pa(2)266K
解析(1)氮?dú)鉁囟炔蛔?,則發(fā)生的是等溫變化,設(shè)氨氣在目標(biāo)位置的壓強(qiáng)為pi,
由玻意耳定律得poVo=p-1.5%
2
解得pi="?o
由目標(biāo)處的內(nèi)外壓強(qiáng)差可得PLP=')
解得p=%o=5X104Pa
44
(2)由胡克定律尸=區(qū)可知彈簧的壓縮量變?yōu)樵瓉?lái)的予則活塞受到彈簧的壓強(qiáng)也變?yōu)樵瓉?lái)的土
142
即P%=^oXm=%Po
設(shè)此時(shí)氯氣的壓強(qiáng)為P2,活塞兩側(cè)壓強(qiáng)相等,
/日19
可得P2=P%+P=2QP0
由理想氣體狀態(tài)方程可得甯=罕
47
其中V2=VO+O.5VOX^VO
133
解得T=150n=266Ko
■總結(jié)提升
應(yīng)用氣體實(shí)驗(yàn)定律或理想氣體狀態(tài)方程解題的基本思路
一根據(jù)題意,選出所研究的某一部分
一定質(zhì)量的氣體
弄清一個(gè)物理過(guò)程分為哪幾個(gè)階段,
—?■分別找出所研究階段的初、末狀態(tài)
的p、V、T,其中壓強(qiáng)的確定是關(guān)鍵
明確各個(gè)階段遵循的實(shí)驗(yàn)定律(或
一^狀態(tài)方程)列式求解或做出討論
考點(diǎn)三氣體狀態(tài)變化的圖像問(wèn)題
四種圖像的比較
類別特點(diǎn)(其中c為常量)舉例
P
pV=CT,即pV之積越大的等溫線溫度越高,線
p-v
離原點(diǎn)越遠(yuǎn)0
72T
P
1P=cA,斜率%=CT,即斜率越大,溫度越高
P-V1
0V
P
p=,T,斜率左=,,即斜率越大,體積越小
p-T1、T
U/
V
cC
V-TV=~T,斜率左=一,即斜率越大,壓強(qiáng)越小
01
〃2Vpi
【例5】(2023?河南焦作市博愛(ài)第一中學(xué)期末)一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)過(guò)一系列變化過(guò)程,如圖
所示,下列說(shuō)法中正確的是()
A.。一6過(guò)程中,氣體溫度降低,體積增大
B.b—c過(guò)程中,氣體溫度不變,體積減小
C.c-a過(guò)程中,氣體壓強(qiáng)增大,體積不變
D.在c狀態(tài)時(shí),氣體的體積最小
答案C
解析方法一:根據(jù)氣體實(shí)驗(yàn)定律分析:
a-6過(guò)程中,氣體壓強(qiáng)不變,溫度降低,根據(jù)蓋一呂薩克定律手=C得知,體積應(yīng)減小,故
A錯(cuò)誤;6-c過(guò)程中氣體的溫度保持不變,即氣體發(fā)生等溫變化,根據(jù)玻意耳定律?丫=。得
知,由于壓強(qiáng)減小,故體積增大,故B錯(cuò)誤;c-a過(guò)程中,由題圖可知,p與T成正比,則
氣體發(fā)生等容變化,體積不變,溫度升高則壓強(qiáng)增大,綜上所述可知在b狀態(tài)時(shí),氣體的體
積最小,故C正確,D錯(cuò)誤。
方法二:根據(jù)圖像斜率的意義分析:
由理想氣體狀態(tài)方程華=6?得:P=yT,斜率左=s,即某狀態(tài)(點(diǎn))與原點(diǎn)連線斜率越大,體
積V越小,故從圖可以看出匕=匕>%,溫度可由圖像直觀反映出來(lái)。
思考根據(jù)【例5】中氣體狀態(tài)變化的P—T圖像,定性作出三個(gè)過(guò)程的V—T圖像和p-V圖像。
答案
fyP
h口、
Xb雙曲線的一支
CT---------"O'---------->
■總結(jié)提升
處理氣體狀態(tài)變化的圖像問(wèn)題的技巧
1.圖像上的某一條直線段或曲線段對(duì)應(yīng)氣體狀態(tài)變化的一個(gè)過(guò)程,首先要看此過(guò)程屬于等溫、
等容還是等壓變化,然后用相應(yīng)規(guī)律求解。
2.在V-T圖像(或p—T圖像)中,比較兩個(gè)狀態(tài)的壓強(qiáng)(或體積)時(shí),可直接根據(jù)氣體實(shí)驗(yàn)定
律確定兩個(gè)狀態(tài)參量的關(guān)系,也可根據(jù)某點(diǎn)與原點(diǎn)連線斜率的大小確定,斜率越大,壓強(qiáng)(或
體積)越?。恍甭试叫?,壓強(qiáng)(或體積)越大。
課時(shí)精練
10基礎(chǔ)落實(shí)練
1.(2024.江蘇南京市開(kāi)學(xué)考)如圖,容器P和容器Q通過(guò)閥門(mén)K連接,P的容積是Q的2倍。
P中盛有氧氣,氣壓為4次,Q中為真空,打開(kāi)閥門(mén),氧氣進(jìn)入容器Q,設(shè)整個(gè)過(guò)程中氣體溫
度不變,氧氣視為理想氣體穩(wěn)定后,檢測(cè)容器P的氣壓表示數(shù)為()
PKQ
4814
A.3PoB.y?oC.3PoD.<-po
答案B
\7Q
解析對(duì)容器中的所有氧氣根據(jù)玻意耳定律有4Poy=p(V+,),解得°=印>0,故選B。
2.(2023?遼寧卷5)“空氣充電寶”是一種通過(guò)壓縮空氣實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的裝置,可在用電低谷時(shí)儲(chǔ)
存能量、用電高峰時(shí)釋放能量。“空氣充電寶”某個(gè)工作過(guò)程中,一定質(zhì)量理想氣體的p—T
圖像如圖所示。該過(guò)程對(duì)應(yīng)的p—V圖像可能是()
OVOV
CD
答案
解析根據(jù)華=C,可得p=$T,從。到6,氣體壓強(qiáng)不變,溫度升高,則體積變大;從b
到c,氣體壓強(qiáng)減小,溫度降低,因c點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率小于b點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率,c狀
態(tài)的體積大于6狀態(tài)的體積,故選B。
3.(2023?湖北武漢市模擬)某實(shí)驗(yàn)小組用圖甲所示裝置研究燒瓶?jī)?nèi)封閉氣體的體積一定時(shí)壓強(qiáng)
與溫度的關(guān)系,初始時(shí)封閉氣體的攝氏溫度為fo,往容器內(nèi)加熱水,可以改變封閉氣體的溫
度3用加(加=/一切表示封閉氣體升高的攝氏溫度,p表示溫度為/時(shí)封閉氣體的壓強(qiáng),則
圖乙中可能正確的圖線是()
溫度傳感器
①
②
,③
④
A.①B.②C.③D.④
答案A
解析燒瓶?jī)?nèi)封閉氣體的體積一定,由查理定律有關(guān)=與=筆,又所以有
整理得。=微加+/2(),可見(jiàn)p-AZ"圖像為一次函數(shù),斜率為窗,截距為po,均為正值,故正確
的圖線是①,故選A。
4.(多選)某科學(xué)小組利用一根粗細(xì)均勻、長(zhǎng)度為1m的玻璃管,和一個(gè)導(dǎo)熱的柱形金屬容器
連接在一起,做成了一個(gè)簡(jiǎn)易溫度計(jì),如圖所示。玻璃管水平固定在木板上,管內(nèi)放入一可
自由滑動(dòng)的圓柱體蠟塊(長(zhǎng)度可以忽略),摩擦不計(jì)。玻璃管左端A開(kāi)口,玻璃管右端8處用
細(xì)軟管與金屬容器連接,接口處均密封良好,當(dāng)溫度為27℃時(shí),蠟塊剛好在玻璃管的正中間。
以下說(shuō)法正確的是()
軟管
?贏吊密封連接
金屬容器U
A.該溫度計(jì)的刻度是不均勻的
B.如果測(cè)量時(shí)外界壓強(qiáng)增大則對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量值偏低
C.該溫度計(jì)的測(cè)溫范圍與金屬容器的體積無(wú)關(guān)
D.該溫度計(jì)的測(cè)溫范圍隨金屬容器的體積增大而減小
答案BD
解析因溫度變化時(shí)被封的氣體進(jìn)行等壓變化,設(shè)溫度為27。。時(shí)封閉氣體的體積為0,由
題意可知馬=m=整,則可知ATE-s.M玻璃管粗細(xì)均勻,所以溫度計(jì)的
1112AlV1
刻度是均勻的,故A錯(cuò)誤;從熱脹冷縮的原理我們知道,溫度計(jì)的刻度左側(cè)高右側(cè)低,在某
壓強(qiáng)下完成刻度后,如果外界壓強(qiáng)增大,蠟塊將右移,所以對(duì)應(yīng)測(cè)量溫度偏低,故B正確;
根據(jù)可以看出金屬容器的體積越大,變化相同溫度管中氣體體積變化量也越大,
由于玻璃管長(zhǎng)度一定,所以該溫度計(jì)的測(cè)溫范圍隨金屬容器的體積增大而減小,故C錯(cuò)誤,
D正確。
5.(2023?江蘇南京市二模)如圖甲所示,一個(gè)導(dǎo)熱汽缸水平放置,內(nèi)部封閉著熱力學(xué)溫度為
G的理想氣體,活塞橫截面積為S,活塞與汽缸底部距離為L(zhǎng)大氣壓強(qiáng)為外,重力加速度
為g,活塞與汽缸之間摩擦忽略不計(jì)。先保持溫度不變,將汽缸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)90。(如圖乙),活塞
與汽缸底部距離變?yōu)?.9L再對(duì)氣體緩慢加熱,活塞離汽缸底部距離變?yōu)?.2口如圖丙),求:
(1)活塞的質(zhì)量m-,
(2)氣體加熱后的熱力學(xué)溫度To
答案(嗤(2)如
解析(1)根據(jù)題意,由平衡條件可知,汽缸水平放置時(shí),內(nèi)部氣體壓強(qiáng)為pi=p0,體積為Vi
=SL
汽缸豎直時(shí),內(nèi)部氣體壓強(qiáng)為P2=P()+等
體積為V2=0.9SL
由玻意耳定律有P1V1=P2V2,解得
nQQf1OST
(2)根據(jù)題意可知,氣體加熱過(guò)程經(jīng)歷等壓變化,由蓋一呂薩克定律有徐-=寧一,解得T
4
與To。
10能力綜合練
6.(2023?河北張家口市三模)校園運(yùn)動(dòng)會(huì)開(kāi)幕式上釋放了一組氫氣球,氮?dú)馇蚓徛仙?,到達(dá)
一定高度后膨脹破裂。若剛釋放時(shí)氨氣球內(nèi)外的壓強(qiáng)差為25mmHg,即將破裂時(shí)氫氣球的體
積為剛釋放時(shí)的1.2倍,內(nèi)外的壓強(qiáng)差為30mmHg。大氣壓強(qiáng)p隨離地高度〃的變化如圖甲
所示,大氣溫度f(wàn)隨離地高度的變化如圖乙所示,氫氣球?qū)崃己?。則氫氣球破裂時(shí)的離
地高度約為()
C.1600mD.1400m
答案A
解析在地面時(shí),氣體的壓強(qiáng)
pi=760mmHg+25mmHg=785mmHg
溫度為T(mén)i=300K
設(shè)在地面時(shí),氫氣球體積為V,則在高度〃時(shí),
hh
氣體的壓強(qiáng)〃2=(760—五)mmHg+30mmHg=(790—mmHg
7/7
溫度為“=(300一丁麗)K,體積為V2=L2V,
根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得管=喏
聯(lián)立解得//心2000m,故選A。
7.(2023?廣東深圳市期末)工人澆筑混凝土墻壁時(shí),內(nèi)部形成了一塊氣密性良好充滿空氣的空
腔(空腔體積不變),墻壁導(dǎo)熱性能良好。
(1)空腔內(nèi)氣體的溫度變化范圍為一33。。?47°C,求空腔內(nèi)氣體的最小壓強(qiáng)與最大壓強(qiáng)之比;
(2)填充空腔前,需要測(cè)出空腔的容積。在墻上鉆一個(gè)小孔,用細(xì)管將空腔和一個(gè)帶有氣壓傳
感器的汽缸連通,形成密閉空間。當(dāng)汽缸內(nèi)氣體體積為1L時(shí),傳感器的示數(shù)為1.0atm。將
活塞緩慢下壓,汽缸內(nèi)氣體體積為0.7L時(shí),傳感器的示數(shù)為1.2atm。求該空腔的容積。
3
答案(1)4(2)0.8L
解析(1)以空腔內(nèi)的氣體為研究對(duì)象,最低溫度時(shí),壓強(qiáng)為pi,Ti=240K;最高溫度時(shí),
壓強(qiáng)為P2,72—320K;根據(jù)查理定律可知包=竟解得"
(2)設(shè)空腔的容積為%,汽缸的容積為匕以整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的氣體為研究對(duì)象,則未下壓活塞時(shí)
氣體的壓強(qiáng)p3=1.0atm,體積Vi=VQ+V,V=1L
活塞下壓后氣體的壓強(qiáng)p4=
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