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文档简介

第七章立体几何与空间向量(举一反三综合训练)

(全国通用)

(考试时间:120分钟;满分:15()分)

注意事项:

1.本试卷分第I卷(选择题)和第H卷(非选择题)两部分。答卷前,考生务必将自己的姓名、挂考证号填写

在答题卡上。

2.回答第I卷时,选出每小题答案后,用2B铅笔把答题卡上对应题目的答案标号涂黑。如需改动,用

橡皮擦干净后,再选涂其他答案标号。写在本试卷上无效。

3.回答第卷时,将答案写在答题卡上。写在本试卷上无效。

4.考试结束后,将本试卷和答题卡一并交回。

第I卷(选择题共58分)

一、单项选择题:本题共8小题,每小题5分,共40分,在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合要

求的。

1.(5分)(2026・四川绵阳•二模)已知值=(1,2,3),5=(%,2,-1),若d1氏则|同=()

A.V6B.2V6C.3V6D.V14

【答案】A

【解题思路】根据d_L族求出x,再求|同即可.

【解答过程】d二(1,2,3),5=(%,2,-1),若五1B,则值不=%+4—3=0,

解得力=—1,则向=V1+4+1=V6.

故选:A.

2.(5分)(2026♦山东泰安•一模)已知某圆锥的母线长为4,其侧面展开图是一个半圆,则该圆锥的体积

为()

A.B.8V3nC.yirD.16n

【答案】A

【解题思路】根据题意求出圆锥底面半径,再根据体枳公式计算.

【解答过程】设圆锥底面半径为r,则由题意可得,2nr=4n,fflr=2,

则该圆锥的体积为工nr2Ax4x716—4=—n.

333

故选:A.

3.(5分)(2026•安徽淮北•一模)已知直线a,b,c和平面见氏下列表述正确的是()

A.若a〃b,bua,则。〃aB.若a_L1c,bua,cua,则a1a

C.若aua,bua,aj/B,b/IB,则a〃夕D.若ala,au。,则a1/7

【答案】D

【解题思路】利用线面平行和垂直的判定定理和面面平行和垂直的判定定理即可求解.

【解答过程】由a//b,bua,QCana〃a,条件中缺少QUa,故A错误;

由a_Lb,QJ.c,bua,cua,bncW0=Q_La,条件中缺少bncH0,故B错误;

由aua,/?ua,a〃/?nb工0na〃/?,条件中缺少anbW0,故C错误;

由aJLa,au/?=a_L夕,故D正确;

故选:D.

4.(5分)(2026•河北秦皇岛•模拟预测)如图所示的玻璃容器可以看成是由•个轴截面是正方形的圆柱和

一个半球组合而成,如图放置时,向容器内装水,若水的高度是容器高度的一半,现将容器倒置,则水的

高度与容器高度的比值为()

【答案】B

【解题思路】利用圆柱和球的体积公式,根据水的体积不变可得答案.

【解答过程】设圆柱部分的高度为力,底面半径为心因为轴截面是正方形,所以/i=2r.

容器总高度H=h+r=3r.

圆柱体积匕一nM九一2m*3,半球体积匕一|日丁3

水的高度是容器高度的一半,即?=5,水的体积为匕=仃2.手=>丁3

ZZ42

容器倒置后水先填满半球(体积匕二,丁3),乘馀体积为6r3一"3=K",

323r6

剩余体积在圆柱中的高度为坛=5=亮,倒置后水的总高度为丁+*=千,

llr

水的高度与容器高度的比值为子=W

3rlo

故选:B.

5.(5分)(2026•辽宁大连•模拟预测)在校长为3的正四面体力3co中,点G是三角形力BD的重心,若空

间内一点尸满足方=2版一[葡比,则无•定=()

333

A.3B.5C.7D.8

【答案】C

【解题思路】根据空间向量的线性运算可得而号屈+3而-千尼,丽=5亚+3而+5而,即可根据数

量积的运算律求解.

【解答过程】由而=|而_]而+|而可得,AP=l(AG-AB)-^(AG-AC)+l(AG-AD),

故记=1而+1而一萍,

__]___,]___221

PC=GC-GP=AC-AG-GP=AC--(AB+AD)+PG=AC--(AB++-AB+-AD--AC

OOD。D

=lAB+lAC^AD,

又|诟|=|^C|=|I5|=3,AB-AC=AB•AD=AD-AC=3x3x^=^

故布.元=修布+|而寿无)呜荏+:元+:而)

=萍2+孩而市=|X9+散;7,

故选:C.

6.(5分)(2026.广东湛江.一模)如图,正方体4?。0-4816。1的棱长为4,其中砧=3西,点r为

816的中点,则点C到平面的距离为()

C16岳

21D・等

【答案】C

【解题思路】建立空间直角坐标系,写出点的坐标,求出平面的法向量,从而利用点到平面的距离公式进行

求解.

【解答过程】以点。为原点,ZM,DC,。,所在直线分别为第y,z轴建立空间直角坐标系.

可得8(4,4,0),£(1,0,4),9(2,4,4),C[0,4,0),BE=(-3,-4,4),而=(-2,0,4),

设平面8EF的一个法向量为沆=(x,y,z),

则m-BE=(x,y,z)■(—3,—4,4)=—3x—4y+4z=0

沆•丽=(x,y,z)•(-2,0,4)=-2x+4z=0

令z=2得x=4,y=-1,故沅=(4,-l,Z),

其中说=(-4,0,0),

点C到平面BEF的距离d=臀=多=噜.

|m|x(2121

故选:C.

7.(5分)(2026•宁夏银川•模拟预测)己知三棱锥A-BCD中,且BC=AD=2四,AC=

BD=VI6,则该三棱锥外接球的表面积为()

A.127rB.36KC.4V3TTD.12V3n

【答案】A

【解题思路】将三棱锥补成长方体,利用长方体的体对角线与三棱锥外接球直径的关系,求出外接球半径,

进而求出外接球的表面积.

【解答过程】将三棱锥4补成长方体,如图,

设长方体的长、宽、高分别为a,b,c,

由于二棱锥A-OC。的棱长满足/4D=CD=瓜DC=AD=2vLAC=BD=同,

(a2+b2=6

根据长方体面对角线的性质,可得/)2+C2=8,即Q2+/+C2=12,

(小+c2=10

所以长方体的体对角线长为2遮,因此三棱锥的外接球直径2R=2b,所以R=V5,

所以外接球的表面积S=4TTR2=12n.

故选:A.

8.(5分)(2026•河北•模拟预测)如图,48是圆O的直径,4D垂直于圆O所在的平面,AB=AD=2f

P是弧A8的中点,则异面直线AP与8。所成角的大小为()

A.-B.-C.-D.-

6432

【答案】C

【解题思路】建立空间直角坐标系,求出而,而的坐标,利用向量夹角公式求解.

【解答过程】根据题意,以点力为坐标原点,/分别为x,z轴,过点A垂直于48的直线为y轴,建立如图

所示的空间直角坐标系,

因为P是弧4B的中点,所以乙84P=;,又48=40=2,

4

则4(0,0,0),B(2,0,0),D(0,0,2),P(l,l,0),

所以前=(-2,0,2),而=(1,1,0),

所以8S面,羽=繇=品=心,即胸,而)=拳

所以异面直线4P与80所成角的大小为]

故选:C.

二、多项选择题:本题共3小题,每小题6分,共18分,在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目的

要求,全部选对的得6分,部分选对的得部分分,有选错的得。分。

9.(6分)(2026•陕西咸阳•一模)已知空间向量五=(3,4,5),3=(2,则下列结论正确的是()

A.y/3\a\=5\b\B.(a+3b)//a

C.b1(5b-6a)D.d在石上的投影向量为信/一|)

【答案】ACD

【解题思路】根据向量坐标运算,验证向量的平行和垂直,求出向量的模,利用投影向量公式计算即可.

【解答过程】•.•空间向量五=(3,4,5),1=(2,1,-1),

222

•••⑷=7y+42+52=5V2t\b\=72+1+(-1)=显,

•••V31Gl=V3x5V2=5诟5网=5x遍=5遍,故A正确,

a+3b=(3,4,5)+3(2,1,—1)=(9,7,2),a=(3,4,5),

而:所以(G+3B)和d不平行,故B错误,

qD

5b-6a=5(2,1,-1)-6(3,45)=(-8,-19,-35),

-(5d-6a)=-8x2+(-19)x14-(-35)x(-1)=0,

51(5b-6a),故C正确,

因为d・B=6+4-5=5,

•,•1在B上的投影向量为喘x=方弓(2,1,-1)=-1)=信D故D正确.

\b\网v6V66\366/

故选:ACD.

10.(6分)(2026•江西九江•一模)如图,正方体RBC。一中,点分别为BCQCDI的中点,则

)

A.EF//A1B1B.EF//平面/BCD

C.EF1CQD."1平面/l&C

【答案】BCD

【解题思路】建立空间直角坐标系,设正方体棱长为2,写出点的坐标,得到平面的法向量,进而对四个选

项一一判断,得到答案.

【解答过程】以。为坐标原点,。4。。,。2所在直线分别为乐y2轴,建立空间直角坐标系,

设正方体棱长为2,则£(1,2,1),尸(0,1,1),4(2,0,2),当(2,2,2),

对于A,不瓦=(0,2,0),加=(一1,一1,0),显然411与备没有倍数关系,

故瓦瓦,前不平行,即EF与不平行,故A错误;

对于B,平面4BCO的一个法向量为元=(0,0,1),

FF-n=(-l,-l,0)-(0,0,l)=0,故而:_L元,又EFU平面H8C7),故E尸〃平面48C0,故B正确;

对于C,因。(0,2,0),Q(0,2,2),西=(0,2,2)-(0,2,0)=(0,0,2),

则而•鬲二(一1,-1,0)-(0,0,2)=0,所以EF1CG,故C正确;

对于D,4(2,0,0),而=(0,2,0)-(2,0,0)=(-2,2,0),砧=(0,2,0)-(2,0,2)=(-2,2,-2),

设平面/1&C的一个法向量为£=(居y,z),

则L-C=-2%+2y=0,故可取£=(1,1,0),

(t•AXC=-2x4-2y-2z=0

因而=(一1,一1,0)=—1则而与£平行,故E尸1平面441C,故D正确.

故选;BCD.

11.(6分)(2026•河北邢台「模)如图,在棱长为2的正方体"CD-力出。1。1中,P为线段4加上的动

点,M为48的中点,则()

B.直线PC与8%所成角的最大值为:

C.过点为,G,M作该正方体的截面a,则截面a的面积为g

D.-:棱锥外接球半径的取值范围为[|,网

【答案】ACD

【解题思路】以D为坐标原点,D4DC,DDi所在直线为x,y,z轴,建立空间直角坐标系,设审=4砧\求

出P(2-2/l,2/l,2),求出西,而利用向量法即可判断A;求出西,而利用向量法即可判断B;找到截面a,

即等腰梯形MNG&,求其面积即可判断C;设球心。(1,1,九),利用两点间距离公式求出。8,OP,建立等式

求出力的范围进而求出半径的范围,即可判断D.

【解答过程】以。为坐标原点,。4。。,。5所在直线为%J*轴,建立如图所示空间直角坐标系,

则4(2,0,2),(0,2,2),所以病=(-2,2,0),

设行二2万B,其中2£[0,1],即币=(一2尢2九0),

所以点P(2-24242),

又0(000),以(2,2,2),8(220),

所以西=(2,2,2),BP=(-2A,2A-2,2),

所以西BP=2x(-2A)+2x(2A-2)+2x2=0,

所以故A正确;

两=(0,0,2),

因为C(0,2,0),所以而=(2-242/1-2,2),

所以s'(瓯,硒=急嵩=2也—2亦%—加4=鬲而,

函数y=8(A-I)2+4在电1]上单调递减,

所以当4=0时,函数取得最大值12,当;1=1时,函数取得最小值4,

所以y=8(2—1)2+4€[4,12],

所以3两丽)=岛而喈,1],

当cos®瓦*,前)=争寸,直线PC与BB1所成角最大,

因为cos;=停工小故直线PC与BBi所成角的最大值不为:,故B错误;

取BC中点N,连接MN,NG,

因为M为的中点,所以MN〃力C,

檄面a即为四边形MNQ4,

又AZIAC,所以MN〃力iG,

又因为4M=NG=V5,故四边形MNG&为等腰梯形,

如图,作MH14G,垂足为,,

所以公=等四二彳,

所以MH=]41川2一力1,2二心二苧,

所以等腰梯形MNG4的面积S=可"竽)也,=(.+2?)x竽=2,

即截面a的面积为支故C正确;

取4C的中点Q,因为△ABC为直角三角形,所以Q为△48c外接员I的圆心,

设外接球的球心为。,根据外接球的性质,则0Q1平面力BC,

设球心O(l,l,h),

则08=V(1-2)2+(1-2)2+h2=万中,

OP=J(2—24—1尸+(22-+(2—h)2=V8A2-8A+/i2-4/i+6,

因为OB=OP,所以VTH?=4842-8++公一4八+6,

即A=2A2-2A+1=2(A-+;,

函数九=2(/I-1)2+:在[O*]上单调递减,在燃,1]上单调递增,

所以当"泄,函数取得最小值T,当;1=0时,函数取得最大值1,

所以九6^,1],所以08=花中£*通],

即三棱锥P-4BC外接球半径的取值范围为悖,次卜故D正确.

故选:ACD.

第II卷(非选择题共92分)

三、填空题:本题共3小题,每小题5分,共15分。

12.(5分)(2026•江苏镇江•模拟预测)圆台的上底面半径为1m,下底面半径和母线长均为5m,则它的

体积为n?.

【答案】31n

【解题思路】首先求出圆台的高,再根据圆台的体枳公式即可求解.

【解答过程】设圆台上、下底面的圆心分别为。1,。2,轴截面为梯形力BCD,如图,

AO.B

0xB=1,O2C=5,BC=5,过B作CD的垂线,垂足为E,则CE=5—1=4,

22

由勾股定理知BE=BC2-^5-4=3,即圆台的高为3,

722

所以圆台的体积为P=[(S+VSS+S')/i=1(nxI+ITx5+ITx5)x3=31n,

故答案为:31Tl.

13.(5分)(2025•黑龙江牡丹江•模拟预测)在平行六面体力夙刀-48心为中,各棱长均为2,44/B=

ZR4D=/.A^D=p则宿•西=.

【答案】0

【解题思路】根据题意,设方=d,而=3,初=*求得褊=&+族+落BA;=c-d,结合向量的数量

积的定义与运算公式,即可求解.

【解答过程】设向量同=d,AD=b,AA[=c,则|d|=\b\=\c\=2,(a,b)=(a,c)=(b,c)=

•5

所以d-5=d-c=b-c=2x2cos;=2,

又由4cl=AB+BC+CG=a4-24-c,BAX=AA1—AB=c-a,

所以HC;,BA;=(d4-5+c)-(c-a)=a-c—a2+b-c—a-S-l-c2—a-c=2—22+2—2+22—2=0.

故答案为:0.

14.(5分)(2026・四川遂宁•一模)在三棱锥P-48。中,P4,平面ABC,△力BC是以4C为斜边的等腰直

角三角形,PA=l,AC=y/2,则三楂锥P-ABC的外接球(顶点都在球面上)的体积为.

【答案】2n

【解题思路】取PC的中点O.连接40,80.证得RC_L平面R4B,得到BCJ.PR.利用直角三角形的性质,得

到0A=0B=0C=0P,即。为三棱锥P-A8c的外接球的球心,设三棱锥P-ABC的外接球的半径为R,

得到R=:PC,结合球的体积公式,即可求解..

【解答过程】如图所示,取PC的中点。,分别连接力0,8。,

因为P41平面48C,BCu平面AEC,所以P41BC,

乂因为△48C是以AC为斜边的等腰直角三角形,所以力B1BC,

因为718nR4=4,且u平面PA8,所以BC_L平面PA8,

又因为PBu平面P/1B,所以

在直角△PAC中,可得i40=:PC,在直角△P8C中,可得80=gpC,

所以。4=0B=0C=0P,即。为三棱锥P-ABC的外接球的球心,

在直角中,PA=1,AC=V2,可得PC=7PAi+心=、氏

设三棱锥P-力BC的外接球的半径为R,则R=逆=鼻,

所以三棱锥P-ABC的外接球体积为V=)x(当尸=4死

四、解答题:本题共5小题,共77分,解答应写出必要的文字说明、证明过程及验算步骤。

15.(13分)(2026•新疆•二模)如图,在四棱锥P-力BCD中,底面四边形ABCD为凸四边形,PDL^ABCD,

AD1CD,AD=CD=2,AB=BC.

(1)证明:AC1PBx

(2)已知=二面角A-P6-C为直二面角,求四棱锥P-力BCD的体积.

【答案】(1)证明见解析;

(2)276.

【解题思路】(1)取AC的中点。,连接BO,D。,由等腰三角形的性质可推出BO14C,结合已知条件可证AC1

平面PDB,进而可证AC1P可

(2)以。为原点,建立空间直角坐标系,设出点P的坐标,根据二面角4一08-。为直二面角可知其法向量

的数量积为0,列方程可求出点月的坐标,进而可求体积.

【解答过程】(1)如图,取"的中点。,连接30,。。,

p

由力。=CD,AB=NC可知,DO1ACTO,HO1AC.于0,

从而有8,。,。三点共线,BD1AC,

乂P0_L平面u平面/BCD,^PDLAC,

又u平面P08,BDdPD=D,所以AC_L平面POB.

又PBu平面PDB,所以AC1P8.

(2)以。为原点,04DC,DP分别为%轴,y轴,z轴建立如图所示的空间直角坐标系,

则4(2,0,0),C(0,2,0),由(1)可知AC=2®乙ADB=

4

乂B0=3a,MB(3V2sin,3V2cos0),即8(3,3,。),

不妨设P(O,O,t)(t>0),则同=(1,3,0),AP=(-2,0,t^B=(3,1,0),丽=(0,-2,t).

设平面24B的一个法向量为元=(x,y,1),

则归普=:,即{言;匚°,解得[、=*,啊=&-卬

(%AB=0(x+-U(、=一:'67

同理可得,平面PBC的一个法向量为底=(一,祗,1).

因为二面角4-PB-。为直二面角,

所以苏•力=0,所以-2+1=0,解得t=伤.

6

所以四棱锥尸-/1BCD的体积为V=:X@80•4C)•P0=2t=2V6.

16.(15分)(2026•湖北宜昌・模拟预测)如图,在四棱锥P-.48。。中,底面ABC。为正方形,AB1PB,

平面P/C_L平面/BCD.

⑴求证:PC_L平面/BCO;

(2)若48=1,AE=2EP,四棱锥P-力BCO的体积为:,求点P到平面8CE的距离.

【答案】(1)证明见解析

【解题思路】(1)根据条件,利用线面垂直.的判定定理得A3_L平面PZJC,从而得AOJ.PC,再由面面垂直

的性质得8。1平面P4C,进而可得BDJLPC,即可求解;

(2)根据条件,由棱锥的体积公式得|PC|=1,建立空间直角坐标系,求出平面E8C的法向量及加,再由

点面距的向量法,即可求解.

【解答过程】(1)因为底面力BCD为正方形,所以48_L8C,

5LAB1PB,RPBC\BC=P8,8Cu平面P8C,所以48_L平面P8C,

又PCu平面P8C,所以481PC,

连接BD,易知ACIB。,

因为平面PAC1平面力BCD,平面PACn平面4BCD=AC,

8Du平面A8CD,所以8D1平面PRC,又PCu平面PAC,则BD1PC,

又因为8。n48=8,BD.ABc^ABCD,所以PC1平面力BCD.

(2)由题意/B=1,则正方形48co的面积为S=1,

又用.ABCD=X-附|=1\PC\=1得到|PC|=1,

由(1)知PC_L平面48。。,又CO,CBu平面48c0,则PC_LCO,PC_LC8,

以C点为坐标原点,以CD,CB,CP所在直线为x,y,z轴建立空间直角坐标系,如图所示,

则C(0,0,0),8(0,1,0),P(0,0,l),4(1,1,0),由荏=2即,所以而二|而二(一右一筌),

则E&崎,

所以而=(0,-1,1),丽=(一号,一§,而=(0,—L0).

-1x+^y=0

设平面E8C的法向量为元=(xyz)累小即33,3

tf-y=0

令x=2,得y=O,z=-l,所以元=(2,0,—1),

则点P到平面BCE的距离为d=曙=a

Ini5

17.(15分)(2026•山东泰安•一模)如图,在四棱锥「一/4。。。中,底面/WCO为菱形,F分别为CD,PA的

⑴证明:EF〃平面P8C:

(2)若平面P4B工平面ABCD,PA=PB=V5,AB=2,^BAD=60°,求平面PAE与平面R4B夹角的余弦值.

【答案】(I)证明见解析

(2噜

【解题思路】(I)合理作出辅助线,利用中位线定理结合平行四边形的性质得到E/7/CG,再结合线面平行

的判定定理求解即可.

(2)建立空间宜角坐标系,求出关键点的坐标和关键平面的法向量,再利用平面夹角的向晟求法求解即可.

【解答过程】(1)取P4中点G,连接尸G,GC,

•••&F,G分别为C0,P4PB的中点,

FG//\AB^FG=速,CE//\AB^CE=\AB,

FG//CE,且FG=CE,则四边形CE/G为平行四边形,

AEF//CG,•••EFU平面尸u平面PBC,

二EF〃平面PBC.

(2)取A8中点0,连接B。,

•;PA=PB=®AB=4D=2,P01AB,P0=2,

•・•平面P4B1平面ABCD,POu面PAB,

P01平面力BCD,v乙BAD=60°,

.•.△/180为正三角形,二。01./1氏

如图,以。为原点,建立如图所示的空间直角坐标系,

则4(-1,0,0),8(l,o,o),0(0,A0),P(0,0,2),F(-p0,1),E(l,V3,0),

AP=(1,0,2),族=(2,A0),OD=(0,V3,0),

设平面P力E的法向量为五=(x,y,z),

则b::%W取2=0解得x=-2V5,y=4,

n=(-2V3,4,V3),"。1面4BCD,APO1OD,

vODLAB,AB,OPu面PAB,ABOP=0,

•••OD1面P48,瓦是平面24B的法向量,

,7Tn\\n-OD\4>/34>/3l

-C0S<n^D>==-*

二平面PAE与平面PAB夹角的余弦值为黑.

OX

18.(17分)(2026•河北•模拟预测)如图,多面体48。。石尸中,四边形CQ£尸为矩形,四边形A4c。为

直角梯形,AB//CD,AD1CD,DELAD,AB=AD=DE=1,CD=2.

EF

(1)求三棱锥E-BCD的外接球球心的位置.

(2)线段C。上是否存在一点M,使得二面角A-8E—M为直二面角?若存在,求出点M的位置;若不存在,

请说明理由.

【答案】(1)EC的中点

(2)存在,/为G9上靠近点。的四等分点

【解题思路】(1)利用线面垂直的性质和判定定理证明3c15E,取"的中点Q,结合RtaEBC和

可得Q到8,C,D,E的距离相等,即得三棱锥£-BCD的外接球球心Q;

(2)建系后设点M(0,/l,0),分别求平面ABE和8EM的法向量,由两向量的夹角公式计算即得.

【解答过程】(1)因为。E14D,DE1CD,AD,CDu平面ABCD,

ADQCD=D,所以DEI平面ABCD,又BCu平面4BCO,所以8clDE,

由题可得AB_LAO,AB=AD=1,则80=鱼,Z.CDB=又CD=2,

4

在ABC。中,由余弦定理可得8C=J22+(V2)2-2x2xV2cos^=V2,

由8/)2+8。2=可得8D18C,因为BD,OEu平面BOE,BDCDE=D,

所以8c_L平面BDE,又8Eu平面BDE,所以8C_LBE,

取EC的中点Q,由aEBC和aDEC是直角三角形,

知Q到8,C,D,E四点的距离相等,

所以三棱锥E-BCD的外接球球心为EC的中点.

(2)由题可得D4DC,DE两两垂直,故以0为坐标原点,

分别以万?,比,而为x,y,z轴正方问,建立空间直角坐标系0-孙z,

则71(1,0,0),3(1,1,0),E(0,0,l),

AB=(0,1,0),AE=(-1,0,1)»=(1,1,-1),

假设存在点〃满足题意,设M(0,儿0),0<A<2,则而=(1,1一九0),

设平面为8E的一个法向量为沅=(Xi,%,zi),

则彳耳.沅=%二°

故可取记=(1,0,1)

-m=-+Zi=0

设平面8HM的法向量i?=。"1,为),

)=与+(1—4力=。,故可取元二0一]」〃).

z

•n=x2+y2~z=0

因为

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