CN113838346A - 一种基于arduino的摩擦力教学测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，涉及一种教学系统，该系统主要包括用于帮助学生更好的理解静摩擦力以及滑动摩擦力的相关知识的摩擦力教学设备；所述摩擦力教学设备包括：硬件部分和软件部分，所述硬件部分又包括结构部分和电路部分，该系统利用牛顿第二定律和悬梁式力传感器，结合电路知识、arduino和python语言制作出了一款集成化、可视摩擦力性质的教学测量仪与其对应的串口绘图上机算法，此集成化摩擦力教学测量仪可以在LED屏幕上显示摩擦力的大小和方向，并且可以通过串口在电脑中输出摩擦力变化曲线图，有助于加深学生理解静摩擦力与滑动摩擦力的相关知识。
Description
技术领域
本发明涉及一种教学系统，具体为一种基于arduino的摩擦力教学测量系统。
背景技术
在日常生活中，摩擦力与人类生活息息相关。在教学过程中，静摩擦力以及滑动摩擦力的分析与计算一直是教学的难点。传统的摩擦力演示仪存在集成化程度不高，可操作性不强，摩擦力的性质无法体现等缺点。因此我们利用牛顿第二定律和悬梁式力传感器，结合电路知识、arduino和python语言制作出了一款集成化、可视摩擦力性质的教学测量仪与其对应的串口绘图上机算法。此集成化摩擦力教学测量仪可以在LED屏幕上显示摩擦力的大小和方向，并且可以通过串口在电脑中输出摩擦力变化曲线图，有助于加深学生理解静摩擦力与滑动摩擦力的相关知识。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，该系统利用牛顿第二定律和悬梁式力传感器，结合电路知识、arduino和python语言制作出了一款集成化、可视摩擦力性质的教学测量仪与其对应的串口绘图上机算法。此集成化摩擦力教学测量仪可以在LED屏幕上显示摩擦力的大小和方向，并且可以通过串口在电脑中输出摩擦力变化曲线图，有助于加深学生理解静摩擦力与滑动摩擦力的相关知识。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于 arduino的摩擦力教学测量系统，包括用于帮助学生更好的理解静摩擦力以及滑动摩擦力的相关知识的摩擦力教学设备；
所述摩擦力教学设备包括：
硬件部分，用于测量摩擦力的大小和方向，并将测得的数据进行传输和记录；
软件部分；内置安装于计算机中，通过数据线与所述计算机通讯连接，用于对所述硬件部分传输的数据进行处理；
所述硬件部分包括：
结构部分，用于安装并搭载在所述摩擦力的大小和方向测量过程中所需的各个电性元件；
电路部分；内置安装于所述结构部分中，用于实时测量和计算摩擦力的数据，并对所述数据进行传输；
所述电路部分包括：
控制器，用于在摩擦力测量过程中，处理由应力变化所导致的电信号变化；
传感器，与所述控制器的信号输入端串接，用于实时监测摩擦力测量过程中的数据值，并将数据信号转化成电信号，传递给所述控制器；
电源，与所述控制器电性连接，用于为整个所述电路部分中的各个电性元件提供电能；
通讯输入模块，与所述控制器通讯连接，用于在摩擦力测量过程中，接收来自所述计算机发出的调整指令，并将所述调整指令传递给所述控制器；
正压力调节模块，与所述控制器信号连接，用于调整所述结构部分在测量过程中，所述结构部分与接触面之间的正压力；
数据传送模块，与所述控制器通讯连接，用于在摩擦力测量过程中所产生的数据进行传输。
作为本发明一种优选的技术方案，所述结构部分包括可视化摩擦力教学测量仪和带侧平面套件；
所述可视化摩擦力教学测量仪包括支撑框架，所述支撑框架的下表面固定安装有电磁铁块，所述电磁铁块的上表面对称固定安装有导向滑，所述电磁铁块的上表面中部安装有第一支撑板，所述电磁铁块的上表面且位于第一支撑板的四角处均固定安装有第一滚珠。
作为本发明一种优选的技术方案，所述支撑框架的内侧中部安装有第二支撑板，在所述第二支撑板的下表面安装有四个第二滚珠，在所述第一滚珠和第二滚珠之间设置有衔接板，在所述衔接板的上表面一侧固定安装有第一支撑梁，在所述第一支撑梁的内侧卡合有第一悬梁传感器，在所述第一悬梁传感器的一端卡合有第二支撑梁，在所述第二支撑梁的一侧卡合安装有第二悬梁传感器，所述第二悬梁传感器的一端卡合有第三支撑梁。
作为本发明一种优选的技术方案，所述支撑框架的底端且位于导向滑相对应的位置开设有滑槽，在所述滑槽的内部一侧安装有滑杆，所述导向滑的一侧面且位于滑杆相对应的位置开设有圆孔，所述圆孔的内径大于滑杆的外径。
作为本发明一种优选的技术方案，所述第一滚珠和第二滚珠与所述衔接板均为滚动连接。
所述第一支撑梁与所述之间以及所述第三支撑梁与所述支撑框架之间均为固定连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述支撑框架的内部上端固定安装有第三支撑板，所述控制器、传感器、电源、通讯输入模块、正压力调节模块以及数据传送模块均集成安装在所述第三支撑板上。
作为本发明一种优选的技术方案，所述支撑框架的一侧端面固定安装有显示屏，所述传感器、控制器、通讯输入模块、第一悬梁传感器以及第二悬梁传感器均与所述显示屏信号连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述传感器包括称重传感器I、称重传感器II以及运动传感器，所述称重传感器I、称重传感器II 以及运动传感器均与所述控制器信号连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述带侧平面套件包括基板以及固定连接在所述基板上表面中间位置的斜面支撑体，在所述基板的上表面且位于斜面支撑体的两侧分别设置有较为光滑的平面以及较为粗糙的平面，在所述斜面支撑体的顶端设置有较为光滑的斜面。
有益效果
本发明提供了一种基于arduino的摩擦力教学测量系统。与现有技术相比具备以下有益效果：
一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，该系统利用牛顿第二定律和悬梁式力传感器，结合电路知识、arduino和python语言制作出了一款集成化、可视摩擦力性质的教学测量仪与其对应的串口绘图上机算法，此集成化摩擦力教学测量仪可以在LED屏幕上显示摩擦力的大小和方向，并且可以通过串口在电脑中输出摩擦力变化曲线图，有助于加深学生理解静摩擦力与滑动摩擦力的相关知识，且具有如下进一步的优点：
2、操作简单，集成化程度高，相比于传统教学演示仪，结构精简，使用方便；
2、数据可视化，将看不见的摩擦力的大小和方向进行测量和显示，功能丰富完整，完全可以满足中小学课程中对于摩擦演示的要求，以方便学生们快速验证结论。
附图说明
图1为本发明的结构示意框图；
图2为本发明电路部分的结构示意框图；
图3为本发明传感器的结构示意框图；
图4为本发明可视化摩擦力教学测量仪的拆解结构示意图；
图5为本发明可视化摩擦力教学测量仪的局部结构示意图；
图6为本发明可视化摩擦力教学测量仪的第一视角结构示意图；
图7为本发明可视化摩擦力教学测量仪的第二视角结构示意图；
图8为本发明带侧平面套件的结构示意图；
图9为本发明软件部分的框架图；
图10为本发明通讯输入模块的电路原理结构示意图；
图11为本发明数据传送模块的电路原理结构示意图；
图12为本发明电路部分的连接示意图；
图13为本发明下位机程序设计流程图；
图14为本发明在不同压力条件下摩擦力教学测试仪-摩擦力的曲线变化图；
图15为本发明在不同摩擦系数下摩擦力教学测试仪-摩擦力的曲线变化图。
图中：1、摩擦力教学设备；2、硬件部分；21、结构部分；211、可视化摩擦力教学测量仪；211.1、支撑框架；211.2、电磁铁块；211.3、导向滑轨；211.4、第一支撑板；211.5、第一滚珠；211.6、第二支撑板；211.7、第二滚珠；211.8、衔接板；211.9、第三支撑板；211.10、第一支撑梁；211.11、第二支撑梁；211.12、第三支撑梁；211.13、第一悬梁传感器；211.14、第二悬梁传感器；211.15、显示屏；212、带侧平面套件；212.1、基板；212.2、斜面支撑体；212.3、较为光滑的平面；212.4、较为粗糙的平面；212.5、较为光滑的斜面；22、电路部分；22.1、控制器；22.2、传感器；22.21、称重传感器I； 22.22、称重传感器II；22.23、运动传感器；22.3、电源；22.4、通讯输入模块；22.5、正压力调节模块；22.6、数据传送模块；3、软件部分；3.1、算法部分；3.11、消抖滤波算法；3.12、控制算法； 3.13、力合成算法；3.2、程序部分；3.21、下位机；3.22、上位机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，包括用于帮助学生更好的理解静摩擦力以及滑动摩擦力的相关知识的摩擦力教学设备1；
摩擦力教学设备1包括：
硬件部分2，用于测量摩擦力的大小和方向，并将测得的数据进行传输和记录；
软件部分3；内置安装于计算机中，通过数据线与计算机通讯连接，用于对硬件部分2传输的数据进行处理；
硬件部分2包括：
结构部分21，用于安装并搭载在摩擦力的大小和方向测量过程中所需的各个电性元件；
电路部分22；内置安装于结构部分21中，用于实时测量和计算摩擦力的数据，并对数据进行传输；
请参阅图2，电路部分22包括：
控制器22.1，用于在摩擦力测量过程中，处理由应力变化所导致的电信号变化，根据整个系统的性能以及处理速度需求选用体积较小的Ardionp pro mini(5V 16Mhz)作为控制器，其处理器核心是 Atmega168；
传感器22.2，与控制器22.1的信号输入端串接，用于实时监测摩擦力测量过程中的数据值，并将数据信号转化成电信号，传递给控制器22.1；
电源22.3，与控制器22.1电性连接，用于为整个电路部分22 中的各个电性元件提供电能；
通讯输入模块22.4，与控制器22.1通讯连接，用于在摩擦力测量过程中，接收来自计算机发出的调整指令，并将调整指令传递给控制器22.1，选用型号为HC-06的蓝牙主从一体模块，其通讯串口电路原理请参阅图10；
正压力调节模块22.5，与控制器22.1信号连接，用于调整结构部分21在测量过程中，结构部分21与接触面之间的正压力；
数据传送模块22.6，与控制器22.1通讯连接，用于在摩擦力测量过程中所产生的数据进行传输，即为显示屏211.15，方便学生直观看到，因此选用一块1.3寸的12864oled屏幕(电子显示器电路原理请参阅图11)，作为对外显示设备。
整个电路部分22的具体电路结构，请参阅图12，图12是利用 linkboy电路仿真软件，将电路的基本元器件进行连接仿真，确定电路的基本功能可以实现。
请参阅图1，结构部分21包括可视化摩擦力教学测量仪211和带侧平面套件212。
请参阅图4-7，可视化摩擦力教学测量仪211包括支撑框架211.1，支撑框架211.1的下表面固定安装有电磁铁块211.2，电磁铁块211.2 的上表面对称固定安装有导向滑211.3，电磁铁块211.2的上表面中部安装有第一支撑板211.4，电磁铁块211.2的上表面且位于第一支撑板211.4的四角处均固定安装有第一滚珠211.5，支撑框架211.1 的内侧中部安装有第二支撑板211.6，在第二支撑板211.6的下表面安装有四个第二滚珠211.7，在第一滚珠211.5和第二滚珠211.7之间设置有衔接板211.8，在衔接板211.8的上表面一侧固定安装有第一支撑梁211.10，在第一支撑梁211.10的内侧卡合有第一悬梁传感器211.13，在第一悬梁传感器211.13的一端卡合有第二支撑梁 211.11，在第二支撑梁211.11的一侧卡合安装有第二悬梁传感器 211.14，第二悬梁传感器211.14的一端卡合有第三支撑梁211.12，支撑框架211.1的底端且位于导向滑211.3相对应的位置开设有滑槽，在滑槽的内部一侧安装有滑杆，导向滑211.3的一侧面且位于滑杆相对应的位置开设有圆孔，圆孔的内径大于滑杆的外径，第一滚珠211.5 和第二滚珠211.7与衔接板211.8均为滚动连接，第一支撑梁211.10 与211.08之间以及第三支撑梁211.12与支撑框架211.1之间均为固定连接。
请参阅图6和图7，支撑框架211.1的内部上端固定安装有第三支撑板211.9，控制器22.1、传感器22.2、电源22.3、通讯输入模块22.4、正压力调节模块22.5以及数据传送模块22.6均集成安装在第三支撑板211.9上。
请参阅图7，支撑框架211.1的一侧端面固定安装有显示屏 211.15，传感器22.2、控制器22.1、通讯输入模块22.4、第一悬梁传感器211.13以及第二悬梁传感器211.14均与显示屏211.15信号连接。
请参阅图3，传感器22.2包括称重传感器I22.21、称重传感器 II22.22以及运动传感器22.23，称重传感器I22.21、称重传感器 II22.22以及运动传感器22.23均与控制器22.1信号连接。
整个可视化摩擦力教学测量仪211在实际使用时，当拉动本设计时，通过摩擦底板211.2和滑轨211.3沿滑槽滑动，带动第一滚珠 211.5沿连接板211.58滚动，进而对连接板211.58产生压力，然后，将连接板211.58处的摩擦压力传递至第一悬梁传感器211.513和第二悬梁传感器211.514处，通过第一悬梁传感器211.513和第二悬梁传感器211.514将摩擦压力分解为两垂直方向的力，同时，将测量后的力传输至控制器22.1，进而同时控制器22.1对摩擦力进行计算，计算后的数值通过显示屏211.15处进行显示即可。
请参阅图8，带侧平面套件212包括基板212.1以及固定连接在基板212.1上表面中间位置的斜面支撑体212.2，在基板212.1的上表面且位于斜面支撑体212.2的两侧分别设置有较为光滑的平面 212.3以及较为粗糙的平面212.4，在斜面支撑体212.2的顶端设置有较为光滑的斜面212.5。
该带侧平面套件212在实际使用时，将可视化摩擦力教学测量仪211分别放在较为光滑的平面212.3、较为粗糙的平面212.4以及较为光滑的斜面212.5上，从而实现了在不同摩擦力系数的接触面上，来获取对应的摩擦力数据。
在实际使用时，
1、将可视化摩擦力教学测量仪211静止于较为光滑的平面212.3 上，用手缓慢推动测量仪，使其匀速运动。观察并记录摩擦力教学测量仪的屏幕的读数；
2、将可视化摩擦力教学测量仪211静止于较为光滑的斜面212.5 上(斜面倾角为θ)，此时重力的分力Ggcosθ与斜面所受的压力N相等， 使其缓慢滑动。摩擦力的大小为μ·m总g·cosθ，观察并记录摩擦力教学 测量仪的屏幕的读数；
3、将可视化摩擦力教学测量仪211静止于较为粗糙的平面212.4，用手缓慢推动演示仪，使其匀速运动，观察并记录摩擦力测量演示仪的屏幕的读数。
另外，为了对本发明进一步的说明，做出如下实验：在上述三个摩擦系数不同的接触面(较为光滑的平面212.3、较为粗糙的平面 212.4以及较为光滑的斜面212.5)，所放置的可视化摩擦力教学测量仪211上，分别加装有无砝码、加装50g砝码、加装100g砝码、加装150g砝码、加装200g砝码以及加装250g砝码，来探究压力大小或摩擦系数对摩擦力的影响，所测的数据，请参阅表1和表2，表1 为探究压力大小对摩擦力的影响实验数据；表2为探究摩擦系数对摩擦力的影响实验数据。
表1
另外，根据表1中的数据，利用软件部分，自动生成了摩擦力测试仪质量-摩擦力的曲线变化图，请参阅图14；
从表1的数据可知滑动摩擦力大小跟压力大小成正比关系。
表2
同样，根据表2中的数据，利用软件部分，自动生成了摩擦力教学测试仪-摩擦力的曲线变化图，请参阅图15；
从表2的数据可知滑动摩擦力与接触面的粗糙程度成正比关系，且滑动摩擦力方向与仪器运动方向相反。
关于软件部分3，请参阅图9，细分为算法部分3.1和程序部分 3.2，其中算法部分3.1又包含了消抖滤波算法3.11、控制算法3.12 以及力合成算法3.13，而程序部分3.2又包括下位机3.21和上位机 3.22。
其中，程序部分3.2是使用arduino IDE编写程序，结果烧录于 arduino promini。控制程序根据不同的拨码开关组合拥有三种不同的模式(请参阅图13)，包括基本模式、校准模式以及高级模式，在基本模式下，可以满足一般的中小学上课时候对于摩擦力的教学演示的基本需求；高级模式可以通过蓝牙串口连接计算机，然后可以绘制摩擦力的图像和进行数据分析，满足摩擦力的实验要求，提高课堂的教学效率；校准模式可以校准参数，提高准确性。
由此，可知此摩擦力教学测量系统具有以下优点：
1.操作简单，集成化程度高，相比于传统教学演示仪，结构精简，使用方便。
2.数据可视化，将看不见的摩擦力的大小和方向进行测量和显示，功能丰富完整，完全可以满足中小学课程中对于摩擦演示的要求，以方便学生们快速验证结论。
因此，在一般的科学课堂的演示上，只需要进入基本模式，就可以直接显示摩擦力的大小和方向，非常高效，易于使用，展示的结果也非常明显。但是更多的时候，可以利用摩擦力教学演示仪更加高效的进行教学演示和探究活动。
基于以上几点，本发明的应用前景好，可走进课堂，供教师和学生使用，为教学服务，本发明基于开源电子原型平台，还可不断进行改进，丰富教学功能，使得测量仪的使用场景和功能得到不断拓展。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，包括用于帮助学生更好的理解静摩擦力以及滑动摩擦力的相关知识的摩擦力教学设备(1)；
所述摩擦力教学设备(1)包括：
硬件部分(2)，用于测量摩擦力的大小和方向，并将测得的数据进行传输和记录；
软件部分(3)；内置安装于计算机中，通过数据线与所述计算机通讯连接，用于对所述硬件部分(2)传输的数据进行处理；
所述硬件部分(2)包括：
结构部分(21)，用于安装并搭载在所述摩擦力的大小和方向测量过程中所需的各个电性元件；
电路部分(22)；内置安装于所述结构部分(21)中，用于实时测量和计算摩擦力的数据，并对所述数据进行传输；
所述电路部分(22)包括：
控制器(22.1)，用于在摩擦力测量过程中，处理由应力变化所导致的电信号变化；
传感器(22.2)，与所述控制器(22.1)的信号输入端串接，用于实时监测摩擦力测量过程中的数据值，并将数据信号转化成电信号，传递给所述控制器(22.1)；
电源(22.3)，与所述控制器(22.1)电性连接，用于为整个所述电路部分(22)中的各个电性元件提供电能；
通讯输入模块(22.4)，与所述控制器(22.1)通讯连接，用于在摩擦力测量过程中，接收来自所述计算机发出的调整指令，并将所述调整指令传递给所述控制器(22.1)；
正压力调节模块(22.5)，与所述控制器(22.1)信号连接，用于调整所述结构部分(21)在测量过程中，所述结构部分(21)与接触面之间的正压力；
数据传送模块(22.6)，与所述控制器(22.1)通讯连接，用于在摩擦力测量过程中所产生的数据进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述结构部分(21)包括可视化摩擦力教学测量仪(211)和带侧平面套件(212)；
所述可视化摩擦力教学测量仪(211)包括支撑框架(211.1)，所述支撑框架(211.1)的下表面固定安装有电磁铁块(211.2)，所述电磁铁块(211.2)的上表面对称固定安装有导向滑(211.3)，所述电磁铁块(211.2)的上表面中部安装有第一支撑板(211.4)，所述电磁铁块(211.2)的上表面且位于第一支撑板(211.4)的四角处均固定安装有第一滚珠(211.5)。
3.根据权利要求2所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述支撑框架(211.1)的内侧中部安装有第二支撑板(211.6)，在所述第二支撑板(211.6)的下表面安装有四个第二滚珠(211.7)，在所述第一滚珠(211.5)和第二滚珠(211.7)之间设置有衔接板(211.8)，在所述衔接板(211.8)的上表面一侧固定安装有第一支撑梁(211.10)，在所述第一支撑梁(211.10)的内侧卡合有第一悬梁传感器(211.13)，在所述第一悬梁传感器(211.13)的一端卡合有第二支撑梁(211.11)，在所述第二支撑梁(211.11)的一侧卡合安装有第二悬梁传感器(211.14)，所述第二悬梁传感器(211.14)的一端卡合有第三支撑梁(211.12)。
4.根据权利要求2所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述支撑框架(211.1)的底端且位于导向滑(211.3)相对应的位置开设有滑槽，在所述滑槽的内部一侧安装有滑杆，所述导向滑(211.3)的一侧面且位于滑杆相对应的位置开设有圆孔，所述圆孔的内径大于滑杆的外径。
5.根据权利要求3所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述第一滚珠(211.5)和第二滚珠(211.7)与所述衔接板(211.8)均为滚动连接；
所述第一支撑梁(211.10)与所述(211.08)之间以及所述第三支撑梁(211.12)与所述支撑框架(211.1)之间均为固定连接。
6.根据权利要求3所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述支撑框架(211.1)的内部上端固定安装有第三支撑板(211.9)，所述控制器(22.1)、传感器(22.2)、电源(22.3)、通讯输入模块(22.4)、正压力调节模块(22.5)以及数据传送模块(22.6)均集成安装在所述第三支撑板(211.9)上。
7.根据权利要求6所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述支撑框架(211.1)的一侧端面固定安装有显示屏(211.15)，所述传感器(22.2)、控制器(22.1)、通讯输入模块(22.4)、第一悬梁传感器(211.13)以及第二悬梁传感器(211.14)均与所述显示屏(211.15)信号连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述传感器(22.2)包括称重传感器I(22.21)、称重传感器II(22.22)以及运动传感器(22.23)，所述称重传感器I(22.21)、称重传感器II(22.22)以及运动传感器(22.23)均与所述控制器(22.1)信号连接。
9.根据权利要求2所述的一种基于arduino的摩擦力教学测量系统，其特征在于，所述带侧平面套件(212)包括基板(212.1)以及固定连接在所述基板(212.1)上表面中间位置的斜面支撑体(212.2)，在所述基板(212.1)的上表面且位于斜面支撑体(212.2)的两侧分别设置有较为光滑的平面(212.3)以及较为粗糙的平面(212.4)，在所述斜面支撑体(212.2)的顶端设置有较为光滑的斜面(212.5)。
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