2022年高考物理一輪復(fù)習(xí)講義 第2講 變壓器電能的輸送
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1、2022年高考物理一輪復(fù)習(xí)講義 第2講 變壓器電能的輸送 一、變壓器 1.變壓器的構(gòu)造:如圖所示,變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成的. (1)原線圈:與交流電源連接的線圈,也叫初級(jí)線圈. (2)副線圈:與負(fù)載連接的線圈,也叫次級(jí)線圈. 2.變壓器的原理:電流通過(guò)原線圈時(shí)在鐵芯中激發(fā)磁場(chǎng),由于電流的大小、方向在不斷變化,鐵芯中的磁場(chǎng)也在不斷變化.變化的磁場(chǎng)在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),所以盡管兩個(gè)線圈之間沒(méi)有導(dǎo)線相連,副線圈也能夠輸出電流.互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ). 3.理想變壓器 沒(méi)有能量損失的變壓器,即輸入功率等于輸出功率. 4.基本關(guān)系式 (1)功率關(guān)系:P
2、入=P出. (2)電壓關(guān)系:=;有多個(gè)副線圈時(shí),===… (3)電流關(guān)系:只有一個(gè)副線圈時(shí),=. 由P入=P出及P=UI推出有多個(gè)副線圈時(shí),U1I1=U2I2+U3I3+…+UnIn. 5.幾種常用的變壓器 (1)自耦變壓器的原、副線圈共用一個(gè)線圈,如圖所示. (2)互感器 電壓互感器 電流互感器 原理圖 原線圈的連接 并聯(lián)在高壓電路中 串聯(lián)在高壓電路中 作用 把高電壓變成低電壓 把大電流變成小電流 匝數(shù)特點(diǎn) 副線圈匝數(shù)比原線圈匝數(shù)少 副線圈匝數(shù)比原線圈匝數(shù)多 二、電能的輸送 1.輸電線路及其電壓、電能損失 (1)輸電線路(如圖所示)
3、 (2)電壓和電能損失 ①輸電電流:I=; ②電壓損失:ΔU=U-U′=Ir=r; ③電能損失:ΔP=P-P′=I2r=()2r; 2.減少電能損失的方法:根據(jù)P損=I2R線,減小輸電電能損失有兩種方法. (1)減小輸電線的電阻:根據(jù)電阻定律R=ρ,要減小輸電線的電阻R,在輸電距離一定的情況下,可采用的方法有選用電阻率小的金屬材料,盡可能增大導(dǎo)線的橫截面積等. (2)減小輸電導(dǎo)線中的電流:在輸電功率一定的情況下,根據(jù)P=UI,要減小電流,必須提高輸電電壓. 3.遠(yuǎn)距離輸電 (1)遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)線上損失的電功率:輸送功率一定時(shí),線路電流I=,輸電線上損失功率P損=I2R線=R線
4、,可知P損∝. 遠(yuǎn)距離輸電線路中的功率關(guān)系:P輸=P損+P用. (2)遠(yuǎn)距離輸電的基本電路:由于發(fā)電機(jī)組本身的輸出電壓不可能很高,所以采用高壓輸電時(shí),在發(fā)電站內(nèi)需要升壓變壓器升壓到幾百千伏后再向遠(yuǎn)距離送電,到達(dá)用電區(qū)再用降壓變壓器降到所需的電壓,基本電路如圖所示. 1.如圖所示,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為2∶1.電池和交變電源的電動(dòng)勢(shì)都為6 V,內(nèi)阻均不計(jì).下列說(shuō)法正確的是( ) A.S與a接通的瞬間,R中無(wú)感應(yīng)電流 B.S與a接通穩(wěn)定后,R兩端的電壓為0 C.S與b接通穩(wěn)定后,R兩端的電壓為3 V D.S與b接通穩(wěn)定后,原、副線圈中電流的頻率之比為2∶1 解析:
5、由理想變壓器的原理可知,當(dāng)S與a接通電流穩(wěn)定時(shí),由于通過(guò)原線圈與副線圈中的磁通量不發(fā)生變化,故在副線圈中無(wú)感應(yīng)電流,但在剛接通瞬間,副線圈兩端的電壓不為零,R中有感應(yīng)電流,故A錯(cuò)誤,B正確;當(dāng)S與b接通穩(wěn)定后,原線圈中接有交變電流,由變壓器的變壓比可得副線圈電壓為3 V,C正確;變壓器并不改變交變電流的頻率,D錯(cuò)誤. 答案: BC 2.如圖所示,原、副線圈匝數(shù)比為2∶1的理想變壓器正常工作時(shí),以下說(shuō)法不正確的是( ) A.原、副線圈磁通量之比為2∶1 B.原、副線圈電流之比為1∶2 C.輸入功率和輸出功率之比為1∶1 D.原、副線圈磁通量變化率之比為1∶1 解析: 由于原、副
6、線圈共用一個(gè)鐵芯,故通過(guò)原、副線圈磁通量之比和原、副線圈磁通量變化率之比均為1∶1,選項(xiàng)A錯(cuò)誤而D正確;由I1∶I2=n2∶n1得,I1∶I2=1∶2,選項(xiàng)B正確;由于理想變壓器不考慮變壓器自身的功率損失,故選項(xiàng)C正確,本題選擇不正確的選項(xiàng),故應(yīng)選A. 答案: A 3.對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電,在P送一定的情況下,設(shè)輸電線路中的電流為I送,輸電線的總電阻為R線,為了節(jié)能,采用高壓U送輸電,下列說(shuō)法正確的是( ) A.由U送=I送R線,輸電線路中的電流變大 B.由P送=I送U送,輸電線路中的電流變小 C.由P耗=U/R線,輸電線路消耗功率增大 D.由P送=IR線,不會(huì)影響輸電線路中的電流
7、解析: 由U線=I線R線,I送=I線,U送≠U線(U送=U到+U線),故U送≠I送R線,選項(xiàng)A錯(cuò);公式P送=I送U送,針對(duì)的是同一研究對(duì)象,故選項(xiàng)B對(duì)、D錯(cuò);P耗=IR線=IR線=(P送/U送)2R線,因此U送增大時(shí),輸電線路消耗功率P耗減小,故選項(xiàng)C錯(cuò). 答案: B 4.如圖所示,一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為1∶2;副線圈電路中接有燈泡,燈泡的額定電壓為220 V,額定功率為22 W;原線圈電路中接有電壓表和電流表.現(xiàn)閉合開(kāi)關(guān),燈泡正常發(fā)光.若用U和I分別表示此時(shí)電壓表和電流表的讀數(shù),則( ) A.U=110 V,I=0.2 A B.U=110 V,I=0.05 A C.
8、U=110 V,I=0.2 A D.U=110 V,I=0.2 A 解析: 由于燈泡正常發(fā)光,故燈泡兩端電壓即副線圈兩端電壓為U2=220 V,通過(guò)燈泡的電流即副線圈中的電流為I2==0.1 A.根據(jù)理想變壓器電壓關(guān)系U1∶U2=n1∶n2,得U1=110 V,電流關(guān)系I1∶I2=n2∶n1,得I1=0.2 A,則U=U1=110 V,I=I1=0.2 A.故選項(xiàng)A正確,選項(xiàng)B、D、D錯(cuò)誤. 答案: A 5.圖甲中的變壓器為理想變壓器,原線圈的匝數(shù)n1與副線圈的匝數(shù)n2之比為10∶1.變壓器的原線圈接如圖乙所示的正弦式電流,兩個(gè)20 Ω的定值電阻串聯(lián)接在副線圈兩端.電壓表為理想電表
9、.則( ) A.原線圈上電壓的有效值為100 V B.原線圈上電壓的有效值約為70.7 V C.電壓表的讀數(shù)為5.0 V D.電壓表的讀數(shù)約為3.5 V 解析: 本題考查交流電圖象的應(yīng)用及理想變壓器與閉合電路.由圖乙可得該正弦交流電的峰值為100 V,所以其有效值為:U==70.7 V,A錯(cuò)誤,B正確;由理想變壓器原、副線圈的電壓比等于相應(yīng)的匝數(shù)比可得:=?u2=,其中:U1有=U==70.7 V,所以U2有=7.07 V,故副線圈上的電壓表的讀數(shù)為:UV=U2有≈3.5 V,D正確,C錯(cuò)誤. 答案: BD 變壓器的工作原理及基本關(guān)系 (xx·課標(biāo))自耦變
10、壓器鐵芯上只繞有一個(gè)線圈,原、副線圈都只取該線圈的某部分.一升壓式自耦調(diào)壓變壓器的電路如圖所示.其副線圈匝數(shù)可調(diào).已知變壓器線圈總匝數(shù)為1 900匝;原線圈為1 100匝,接在有效值為220 V的交流電源上.當(dāng)變壓器輸出電壓調(diào)至最大時(shí),負(fù)載R上的功率為2.0 kW.設(shè)此時(shí)原線圈中電流有效值為I1,負(fù)載兩端電壓的有效值為U2,且變壓器是理想的,則U2和I1分別約為( ) A.380 V和5.3 A B.380 V和9.1 A C.240 V和5.3 A D.240 V和9.1 A 解析: 根據(jù)理想變壓器電壓比關(guān)系=,代入數(shù)據(jù)解得副線圈兩端的電壓有效值U2=380
11、 V,因理想變壓器原、副線圈輸入和輸出的功率相等,即P入=P出=U1I1,解得I1= A≈9.1 A,選項(xiàng)B正確;選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤. 答案: B 理想變壓器的注意事項(xiàng) (1)在理想變壓器中,副線圈的端電壓U2由輸入電壓U1和匝數(shù)比n2/n1共同決定,與負(fù)載電阻大小無(wú)關(guān). (2)電網(wǎng)送電遵循“用多少送多少”的原則,原線圈中的輸入電流I1是由副線圈中的輸出電流I2決定的,原、副線圈各一個(gè)繞組時(shí),I1=I2,副線圈有多個(gè)繞組時(shí),由P入=P出的功率關(guān)系來(lái)確定. 1-1:如圖甲所示,矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)軸在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng),輸出交流電的電動(dòng)勢(shì)圖象如圖乙所示,經(jīng)原、副線圈的匝數(shù)比為
12、1∶10的理想變壓器給一燈泡供電如圖丙所示,副線圈電路中燈泡額定功率為22 W,現(xiàn)閉合開(kāi)關(guān),燈泡正常發(fā)光.則( ) A.t=0.01 s時(shí)刻穿過(guò)線框回路的磁通量為零 B.交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為50 r/s C.變壓器原線圈中電流表示數(shù)為1 A D.燈泡的額定電壓為220 V 解析: t=0.01 s時(shí)刻交變電流電動(dòng)勢(shì)為零,線圈處于中性面,磁通量最大;由圖象可知周期T=0.02 s,轉(zhuǎn)速n==50 r/s;變壓器原線圈中電壓有效值為U1=22 V,原線圈中輸入功率與副線圈輸出功率相同,由P=22 W,P=UI,得I=1 A;由=知副線圈兩端電壓U2=220 V.正確選項(xiàng)為B、C.
13、答案: BC 1.匝數(shù)比不變的情況(如圖) (1)U1不變,根據(jù)=,輸入電壓U1決定輸出電壓U2,不論負(fù)載電阻R如何變化,U2也不變. (2)當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí),I2變化,輸出電流I2決定輸入電流I1,故I1發(fā)生變化. (3)I2變化引起P2變化,P1=P2,故P1發(fā)生變化. 2.負(fù)載電阻不變的情況(如圖) (1)U1不變, 發(fā)生變化,故U2變化. (2)R不變,U2改變,故I2發(fā)生變化. (3)根據(jù)P2=,P2發(fā)生變化,再根據(jù)P1=P2,故P1變化,P1=U1I1,U1不變,故I1發(fā)生變化. (xx·福建理綜)如圖,理想變壓器原線圈輸入電壓u=Umsin ωt,副線圈
14、電路中R0為定值電阻,R是滑動(dòng)變阻器,和是理想交流電壓表,示數(shù)分別用U1和U2表示;和是理想交流電流表,示數(shù)分別用I1和I2表示.下列說(shuō)法正確的是( ) A.I1和I2表示電流的瞬時(shí)值 B.U1和U2表示電壓的最大值 C.滑片P向下滑動(dòng)過(guò)程中,U2不變、I1變大 D.滑片P向下滑動(dòng)過(guò)程中,U2變小、I1變小 解析: 交流電表的示數(shù)為有效值,故A、B兩項(xiàng)均錯(cuò)誤;P向下滑動(dòng)過(guò)程中,R變小,由于交流電源、原副線圈匝數(shù)不變,U1、U2均不變,所以I2=變大,由=,得I1=I2變大,故C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤. 答案: C 分析動(dòng)態(tài)問(wèn)題的思路程序?yàn)椋? 2-1:(xx·濟(jì)南定時(shí)練習(xí))自耦調(diào)
15、壓變壓器上的滑動(dòng)觸頭P移動(dòng),可以調(diào)節(jié)輸出電壓,線圈MN兩端與一個(gè)滑動(dòng)變阻器相連接,Q為滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭,V1、V2為理想電壓表,如圖所示,下列說(shuō)法正確的是( ) A.當(dāng)交流電源接a、b時(shí),觸頭P上移,Q也上移,V1的示數(shù)不變,V2示數(shù)可能不變 B.當(dāng)交流電源接a、b時(shí),觸頭P上移,Q下移,V1的示數(shù)不變,V2示數(shù)增大 C.當(dāng)交流電源接c、d時(shí),觸頭P上移,V1的示數(shù)增大,V2示數(shù)不變 D.當(dāng)交流電源接c、d時(shí),觸頭P上移,V1的示數(shù)減小,V2示數(shù)不變 解析: 當(dāng)交流電源接a、b時(shí),P上移,原線圈匝數(shù)變大,電源電壓不變,V1示數(shù)不變,由電壓關(guān)系和U1、n2不變、n1變大.可知副線
16、圈電壓U2減小,Q上移,cd間阻值變大,V2示數(shù)可能不變,故A正確,同理B錯(cuò)誤;當(dāng)交流電源接cd時(shí),P上移,電源電壓不變,V2示數(shù)不變,副線圈匝數(shù)變大,副線圈電壓變大,V1示數(shù)增大,故C正確、D錯(cuò)誤. 答案: AC 遠(yuǎn)距離高壓輸電的幾個(gè)基本關(guān)系(以下圖為例) (1)功率關(guān)系 P1=P2,P3=P4,P2=P線+P3. (2)電壓、電流關(guān)系 ==,==, U2=U線+U3,I2=I3=I線. (3)輸電電流:I線===. (4)輸電導(dǎo)線上損失的電功率 P損=U線I線=Ir=()2r (xx·天津理綜)通過(guò)一理想變壓器,經(jīng)同一線路輸送相同的電功率P,原線圈的電壓U保持
17、不變,輸電線路的總電阻為R.當(dāng)副線圈與原線圈的匝數(shù)比為k時(shí),線路損耗的電功率為P1,若將副線圈與原線圈的匝數(shù)比提高到nk,線路損耗的電功率為P2,則P1和分別為( ) A., B.2R, C. , D. 2R, 解析: 根據(jù)變壓器的變壓規(guī)律,得=k,=nk,所以U1=kU,U2=nkU.根據(jù)P=UI,知匝數(shù)比為k和nk的變壓器副線圈的電流分別為I1==,I2==.根據(jù)P=I2R,輸電線路損耗的電功率分別為P1=IR=2R,P2=IR=2R,所以=.選項(xiàng)D正確,選項(xiàng)A、B、C錯(cuò)誤. 答案: D 1.關(guān)于遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的處理思路 (1)畫(huà)出輸電線路圖,將已知量和未知量標(biāo)在
18、圖中相應(yīng)位置; (2)將輸電線路劃分為幾個(gè)獨(dú)立回路; (3)根據(jù)串并聯(lián)電路特點(diǎn)、歐姆定律、電功率公式等確定各部分回路物理量之間關(guān)系; (4)根據(jù)升壓、降壓,原、副線圈的電壓、電流關(guān)系和功率關(guān)系列式求解. 2.遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的四個(gè)關(guān)鍵 (1)畫(huà)出一個(gè)模型——遠(yuǎn)距離輸電模型圖 (2)抓住輸電的兩端——電源和用電器. (3)分析兩條導(dǎo)線——輸電導(dǎo)線 (4)研究?jī)纱坞妷鹤儞Q——升壓和降壓 3-1:如圖所示,有一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)E,通過(guò)理想升壓變壓器T1和理想降壓變壓器T2向遠(yuǎn)處用戶供電,輸電線的總電阻為R.T1的輸入電壓和輸入功率分別為U1和P1,它的輸出電壓和輸出功率分別為U2和P2;
19、T2的輸入電壓和輸入功率分別為U3和P3,它的輸出電壓和輸出功率分別為U4和P4.設(shè)T1的輸入電壓U1一定,當(dāng)用戶消耗的電功率變大時(shí),有( ) A.U2減小,U4變大 B.U2不變,U3變小 C.P1變小,P2變小 D.P2變大,P3變大 解析: 本題考查遠(yuǎn)距離輸電及理想變壓器的基本知識(shí),解決本題的關(guān)鍵是對(duì)變壓器的工作原理的掌握和閉合電路歐姆定律的應(yīng)用.由理想變壓器輸出功率決定輸入功率可得,當(dāng)用戶功率增大時(shí),升壓變壓器的輸入功率必增大,即P1增大,輸入電壓U1為定值不變,升壓變壓器的匝數(shù)不變,輸入電壓不變,故輸出電壓U2不變,由于P1增大,由P1=U1I1=P2
20、=U2I2可得,I1增加,P2、I2增加,由閉合電路歐姆定律:U3=U2-I2R,故U3減小,降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)不變,所以隨U3減小,U4減小,A、C錯(cuò)誤,B正確;由于用戶功率增加,即P4增加,理想變壓器無(wú)功率損耗可得:P3=P4,功率P3也增加,故D正確. 答案: BD 1.思路1 電壓思路:理想變壓器原、副線圈的電壓之比為U1/U2=n1/n2;當(dāng)變壓器有多個(gè)副繞組時(shí)U1/n1=U2/n2=U3/n3=… 2.思路2 功率思路:理想變壓器的輸入、輸出功率為P入=P出,即P1=P2;當(dāng)變壓器有多個(gè)副繞組時(shí)P1=P2+P3+… 3.思路3 電流思路:理想變壓器原、副線圈的
21、電流比為I1/I2=n2/n1;當(dāng)變壓器有多個(gè)副繞組時(shí)n1I1=n2I2+n3I3+… 如圖所示的理想變壓器副線圈為雙繞組,兩個(gè)副線圈n2、n3分別通過(guò)開(kāi)關(guān)S1、S2與電阻R1、R2連接,其阻值為R1=R2=R,原線圈n1接入正弦式交變電壓u=10cos 100πt (V).若只閉合開(kāi)關(guān)S1,則電流表示數(shù)為0.2 A;若只閉合開(kāi)關(guān)S2,電流表示數(shù)為1.25 A.則( ) A.R1消耗的電功率比R2大 B.n2∶n3=2∶5 C.若兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合,電路消耗的總功率為14.5 W D.若兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合,R1消耗的電功率比R2大 解析: 開(kāi)關(guān)分別閉合時(shí),電阻消耗的電功率等于變壓器的
22、輸入功率,即P=I1U1,因此R1消耗的電功率比R2小,A錯(cuò);開(kāi)關(guān)分別閉合時(shí),=?、?,=?、?,而I1=,I3=,=,聯(lián)立解得==,B正確;若兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合,有I″1U1=I2U2+I(xiàn)3U3,代入前面的①②和變壓比得I″1=I1+I(xiàn)′1=1.45 A,電路消耗的總功率P=I″1U1=14.5 W,C正確;若兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合,通過(guò)R1、R2的電流與原來(lái)相同,因此消耗的功率也與原來(lái)相同,D錯(cuò). 答案: BC 1.(xx·海南單科)如圖,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為20∶1,兩個(gè)標(biāo)有“12 V,6 W”的小燈泡并聯(lián)在副線圈的兩端.當(dāng)兩燈泡都正常工作時(shí),原線圈電路中電壓表和電流表(可視為理想的)的
23、示數(shù)分別是( ) A.120 V,0.10 A B.240 V,0.025 A C.120 V,0.05 A D.240 V,0.05 A 解析: 副線圈電壓U2=12 V,由=得U1=240 V,副線圈中電流I2=2·=1 A,由=得I1=0.05 A. 答案: D 2.在變電站里,經(jīng)常要用交流電表去監(jiān)測(cè)電網(wǎng)上的強(qiáng)電流,所用的器材叫電流互感器.如圖所示的四個(gè)圖中,能正確反映其工作原理的是( ) 解析: 電流互感器是測(cè)電流的,應(yīng)串聯(lián)在火線上,故B、D選項(xiàng)錯(cuò)誤;同時(shí),由I1n1=I2n2知要使I2<I1,須n2>n1,故A選項(xiàng)正確,C選項(xiàng)錯(cuò)誤. 答案:
24、 A 3.如圖所示,理想變壓器的副線圈上通過(guò)輸電線接有兩個(gè)相同的燈泡L1和L2,輸電線的等效電阻為R,開(kāi)始時(shí),開(kāi)關(guān)S斷開(kāi).當(dāng)S接通后,以下說(shuō)法中正確的是( ) A.副線圈兩端M、N的電壓不變 B.副線圈輸電線等效電阻R上的電壓減小 C.通過(guò)燈泡L1的電流增大 D.原線圈的輸入功率不變 解析: 副線圈輸出電壓決定于原線圈電壓和原副線圈匝數(shù)比,S接通后,副線圈兩端電壓不變,A項(xiàng)正確;S接通后,負(fù)載總電阻變小,故R上電流變大,R上的電壓變大,B項(xiàng)錯(cuò);燈泡L1兩端的電壓和通過(guò)其的電流均減小,C項(xiàng)錯(cuò);副線圈輸出功率變大,故原線圈輸入功率變大,D項(xiàng)錯(cuò). 答案: A 4.在遠(yuǎn)距離輸電時(shí),輸
25、送的電功率為P,輸送電壓為U,所用導(dǎo)線的電阻率為ρ,橫截面積為S,兩地距離為L(zhǎng),輸電線損失的電功率為P′,用戶得到的電功率為P用,則P′、P用的表達(dá)式正確的是( ) A.P′= B.P′= C.P用=P- D.P用=P(1-) 解析: 導(dǎo)線的電阻r=ρ,輸送的電流I=,輸電線損失的電功率P′=I2r=,B項(xiàng)正確.用戶得到的電功率P用=P-P′=P(1-),D項(xiàng)正確. 答案: BD 5.(xx·重慶理綜)如圖所示,理想變壓器的原線圈接入u=11 000sin 100πt(V)的交變電壓,副線圈通過(guò)電阻r=6 Ω的導(dǎo)線對(duì)“220 V/880 W”的電器RL供電,該電器正常工作.由此可知( ) A.原、副線圈的匝數(shù)比為50∶1 B.交變電壓的頻率為100 Hz C.副線圈中電流的有效值為4 A D.變壓器的輸入功率為880 W 解析: 由電器RL正常工作,可得通過(guò)副線圈的電流為I== A=4 A,故C對(duì);副線圈導(dǎo)線所分電壓為Ur=4×6 V=24 V,副線圈兩端電壓U2=220 V+24 V=244 V,因此原、副線圈的匝數(shù)比===,故A錯(cuò);又P1=P2=U2I2=244×4 W=976 W,故D錯(cuò);交變電壓的頻率f==50 Hz,故B錯(cuò). 答案: C
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