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知识点63:电场线等势线与带电粒子运动轨迹的综合问题(提高解析版)_04-物理-高考总复习_一轮复习_2024年_2024年高考物理一轮复习讲义及对应练习题重点提升

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知识点63:电场线等势线与带电粒子运动轨迹的综合问题 
【知识思维方法技巧】
带电粒子在电场中运动轨迹问题的分析方法:
(1)“运动与电场力两线法”:
①判断速度方向:画出带电粒子运动轨迹上某点的切线方向为该点处的速度方向。
②判断电场力(或电场强度)的方向:仅受电场力作用时,带电粒子所受电场力方向指向轨
迹曲线的凹侧,再根据粒子的正负判断电场强度的方向。
③判断电势高低:沿着电场线方向,电势越来越低;正电荷在电势能大处,电势高;负电
荷在电势能大处,电势低.等势线总是和电场线垂直,并且从电势高的等势面指向电势低
的等势面。
④判断电场力做功的正负及电势能的增减:若电场力与速度方向成锐角,则电场力做正功
电势能减少;若电场力与速度方向成钝角,则电场力做负功,电势能增加。
(2)“三不知时要假设”:
电荷的正负、场强的方向或等势面电势的高低、电荷运动的方向,是题意中相互制约的三
个方面。若已知其中的任一个,可顺次向下分析判定各待求量;若三个都不知,则要用
“假设法”分别讨论各种情况。
考点一:场源电荷模型+带电粒子运动轨迹
题型一:场源是一个点电荷模型
【典例1 提高题】(多选)在固定的带负电点电荷Q 产生的电场中,一带电粒子q(不计重
力)绕Q 做椭圆运动,轨迹如图中虚线所示,轨迹上有a、b 两点,a 点离Q 最近,b 点离Q
最远。下列说法正确的是(      )
A.a 点的电势高于b 点的电势          
B.a 点的电场强度大于b 点的电场强度
C.粒子q 过a 点时,粒子所受电场力做功的功率最大
D.粒子q 由a 运动到b 的过程中,电势能增大
【典例1 提高题】【答案】BD
【解析】根据“电场线与等势面垂直”和“沿电场线方向电势逐渐降低”可知,a 点的电
势低于b 点的电势,故A 错误;由E=k 可知,a 点的电场强度大于b 点的电场强度,故B
正确;粒子q 经过a 点时所受电场力的方向与速度方向垂直,电场力做功的功率为零,故
C 错误;粒子q 由a 点运动到b 点的过程中所受电场力的方向与速度方向的夹角为钝角,
电场力做负功,电势能增大,故D 正确。
【典例1 提高题对应练习】(多选)如图所示,一带电荷量为Q 的点电荷固定在椭圆的焦点F
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处,另一质量为m,电荷量为q 的试探电荷仅在彼此间的库仑引力作用下绕Q 做椭圆运动。
MN 是椭圆的长轴,SL 是椭圆的短轴,则(  )
A.从M 点到N 点电势逐渐减小
B.试探电荷从M 点到N 点电势能增大
C.试探电荷在M 点时的加速度比在N 点时的加速度大
D.试探电荷从S 点经过N 到L 点与从L 点经过M 到S 点时间相等
【典例1 提高题对应练习】【答案】BC
【解析】由于无法确定Q 带何种电荷,因此从M 点到N 点电势如何变化不能确定,A 错误;
从M 到N 电场力做负功,因此电势能增大,B 正确;由库仑定律可知,在M 点受电场力
比N 点大,根据牛顿第二定律,可知试探电荷在M 点时的加速度比在N 点时的加速度大,
C 正确;从S 点经过N 到L 点先减速运动再加速运动;而从L 点经过M 到S 点先加速运动
再减速运动,S 点与L 点速度大小相同,因此两段平均速率不同,虽然路程相同,但所用
时间不同,D 错误。
题型二:场源是等量异种点电荷模型
【典例2 提高题】如图,两个带等量正电的点电荷,分别固定在绝缘水平桌面上的A、B
两点,一绝缘圆形细管水平固定在桌面A、B 两点间,且圆形细管圆心O 位于A、B 连线
的中点。细管与A、B 连线及中垂线交点分别为C、E、D、F。一个带负电的小球在细管
中按顺时针方向做完整的圆周运动。不计一切摩擦,下列说法正确的是(  )
A.小球从C 运动到D 的过程中,速度先减小后增大
B.在两个带正电的点电荷产生的电场中,C 点的电势比F 点的电势低
C.小球在C、E 两点的速度大小相等,有相同的电势能
D.小球在D、F 两点所受的电场力相同
【典例2 提高题】【答案】C
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【解析】由两正点电荷电场线的分布特点知,φC=φE>φD=φF,B 错误;因φC=φE,故小球
在C、E 两点的电势能相等,动能相等,速度大小相等,C 正确;小球从C 点运动到D 点
的过程中,电势能增加,动能减小,A 错误;小球在D、F 两点所受的电场力方向相反,D
错误。
考点二:电场线模型+带电粒子运动轨迹
题型一:某电场的电场线模型
【典例1 提高题】如图所示,实线表示某电场的电场线(方向未标出),虚线是一带负电的
粒子只在电场力作用下的运动轨迹,设M 点和N 点的电势分别为φM、φN,粒子在M 和N
时加速度大小分别为aM、aN,速度大小分别为vM、vN,电势能分别为EpM、EpN。下列判断
正确的是(  )
A.vM<vN,aM<aN  
B.vM<vN,φM<φN
C.φM<φN,EpM<EpN  
D.aM<aN,EpM<EpN
【典例1 提高题】【答案】D
【解析】由粒子的轨迹知电场力的方向偏向右,因粒子带负电,故电场线方向偏向左,由
沿电场线方向电势降低,可知φN<φM,EpM<EpN。N 点电场线比M 点的密,故场强EM<EN,
由加速度a=知aM<aN。粒子若从N 点运动到M 点,电场力做正功,动能增加,故vM>vN。
综上所述,选项D 正确。
【典例1 提高题对应练习】如图所示,虚线1、2、3,为某电场中的三条电场线,实线表
示某带电粒子仅在电场力作用下的运动轨迹,a、b 是轨迹上的两点,则下列说法正确的是( 
)
A.粒子在a 点的加速度大于在b 点的加速度
B.粒子在a 点的电势能大于在b 点的电势能
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C.粒子在a 点的速度大于在b 点的速度
D.a 点的电势高于b 点的电势
【典例1 提高题对应练习】【答案】B
【解析】利用电场线的疏密可比较各点电场强度的大小,a 点处的电场线相对b 点较为稀
疏,所以Ea<Eb,根据牛顿第二定律可知aa<ab,选项A 错误;假设粒子从a 点向b 点运动,
在a 点,粒子速度方向与受力方向如图所示,所以粒子从a 点到b 点,电场力做正功,电
势能减小,同理,若粒子从b 点向a 点运动,电场力做负功,电势能增加,所以粒子在a
点的电势能大于在b 点的电势能,选项B 正确;粒子运动过程中仅受电场力,则电势能和
动能相互转化,因为粒子在a 点的电势能大于在b 点的电势能,则Eka<Ekb,根据Ek=mv2
可知va<vb,选项C 错误;粒子的电性和电场线的方向均未知,所以无法比较a、b 两点电
势的高低,选项D 错误。
【典例1 拔尖题对应练习】空间某区域内存着电场,电场线在竖直平面上的分布如图6324
所示.一个质量为m、电荷量为q 的带电小球在该电场中运动,小球经过A 点时的速度大
小为v1,方向水平向右;运动至B 点时的速度大小为v2,运动方向与水平方向之间的夹角
为α,A、B 两点间的高度差为h、水平距离为s,则以下判断正确的是(  )
A.A、B 两点的电场强度和电势关系为EA<EB、φA<φB
B.如果v2>v1,则电场力一定做正功
C.A、B 两点间的电势差为(v-v)
D.小球从A 点运动到B 点的过程中电场力做的功为mv-mv-mgh
【典例1 拔尖题对应练习】【答案】D
【解析】由电场线的方向和疏密可知A 点电场强度小于B 点,但A 点电势高于B 点,A 错
误.若v2>v1说明合外力对小球做正功,但电场力不一定做正功,B 错误.由于有重力做功,
A、B 两点间电势差不是(v-v),C 错误.小球从A 点运动到B 点过程中由动能定理得W 电
+mgh=mv-mv,所以W 电=mv-mv-mgh,D 正确.
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题型二:一个点电荷的电场线模型
【典例2 提高题】如图所示,MN 是由一个正点电荷Q 产生的电场中的一条电场线,一个
带正电的粒子+q 飞入电场后,在电场力的作用下沿一条曲线运动,先后通过a、b 两点,
不计粒子的重力,则(  )
A.粒子在a 点的加速度小于在b 点的加速度
B.a 点电势φa小于b 点电势φb
C.粒子在a 点的动能Eka小于在b 点的动能Ekb
D.粒子在a 点的电势能Epa小于在b 点的电势能Epb
【典例2 提高题】【答案】C 
【解析】由题图可知粒子受力应向左方,因粒子带正电,故电场线的方向应向左,故正点
电荷Q 应在N 一侧,故a 处的场强大于b 处的场强,故粒子在a 处的电场力大于b 处电场
力,故a 点的加速度大于b 处的加速度,故A 错误;沿电场线的方向电势降低,故a 点的
电势大于b 点的电势,故B 错误;粒子由a 到b 过程中,电场力做正功,故动能增大,故a
点的动能小于b 点的动能,故C 正确;电场力做正功,故电势能减小,故a 点的电势能Epa
大于在b 点的电势能Epb,故D 错误。
【典例2 提高题对应练习】(多选)如图所示,在点电荷Q 产生的电场中,实线MN 是一
条方向未标出的电场线,虚线AB 是一个电子只在静电力作用下的运动轨迹。设电子在
A、B 两点的加速度大小分别为aA、aB,电势能分别为EpA、EpB。下列说法正确的是(   
)
A.电子一定从A 向B 运动                   
B.若aA>aB,则Q 靠近M 端且为正电荷
C.无论Q 为正电荷还是负电荷一定有EpA<EpB   
D.B 点电势可能高于A 点电势
【典例2 提高题对应练习】【答案】BC
【解析】若Q 在M 端,由电子运动的轨迹可知Q 为正电荷,电子从A 向B 运动或从B 向
A 运动均可,由于rA<rB,故EA>EB,FA>FB,aA>aB,φA>φB,EpA<EpB;若Q 在N 端,由电
子运动的轨迹可知Q 为负电荷,且电子从A 向B 运动或从B 向A 运动均可,由rA>rB,故
φA>φB,EpA<EpB。综上所述选项A、D 错误,选项B、C 正确。
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题型三:两个(多个)点电荷的电场线模型
【典例3 提高题】真空中某静电场电场线的分布如图所示,图中P、Q 两点关于点电荷q1
水平对称。P、Q 两点电场强度的大小分别为EP、EQ,电势分别为φP、φQ。一个带电粒子
沿虚线轨迹从M 移动至N。以下选项正确的是(     )
A.φP<φQ                  
B.EQ>EP
C.此带电粒子带负电,它的电势能先变大后变小
D.此带电粒子带正电,它的电势能先变大后变小
【典例3 提高题】【答案】C
【解析】根据电场线的分布情况,可知φP>φQ,A 错误;根据电场线的疏密比较电场强度
的大小,可知P 点电场线密,电场强度大,EP>EQ,B 错误;根据电场线的特点,可知此
电场是由不等量的异种电荷产生的,其中q1带负电,q2带正电,粒子从M 点运动到N 点,
轨迹向左弯曲,受到了库仑斥力,所以此带电粒子带负电,电势先降低后升高,所以负电
荷的电势能先变大后变小,C 正确,D 错误。
题型四:带电体的电场线模型
【典例4 提高题】某静电除尘设备集尘板的内壁带正电,设备中心位置有一个带负电的放
电极,它们之间的电场线分布如图所示,虚线为某带电烟尘颗粒(重力不计)的运动轨迹,
A、B 是轨迹上的两点,C 点与B 点关于放电极对称,下列说法正确的是(  )
A.A 点电势低于B 点电势                       
B.A 点电场强度小于C 点电场强度
C.烟尘颗粒在A 点的动能小于在B 点的动能       
D.烟尘颗粒在A 点的电势能小于在B 点的电势能
【典例4 提高题】【答案】AC
【解析】由沿电场线方向电势降低可知,A 点电势低于B 点电势,A 正确;由图可知,A
点处电场线比C 点处密集,因此A 点的场强大于C 点场强,B 错误;烟尘颗粒带负电,从
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A 到B 的过程中,电场力做正功,动能增加,烟尘颗粒在A 点的动能小于在B 点的动能,
电势能减小,烟尘颗粒在A 点的电势能大于在B 点的电势能,C 正确,D 错误.
【典例4 提高题对应练习】如图所示为某静电除尘装置的原理图,废气先经过机械过滤装
置再进入静电除尘区。图中虚线是某一带负电的尘埃(不计重力)仅在电场力作用下向集尘
极迁移并沉积的轨迹,A、B 两点是轨迹与电场线的交点.若不考虑尘埃在迁移过程中的相
互作用和电荷量变化,则以下说法正确的是(  )
A.A 点电势高于B 点电势
B.尘埃在A 点的加速度大于在B 点的加速度
C.尘埃在迁移过程中做匀变速运动
D.尘埃在迁移过程中电势能始终在增大
【典例4 提高题对应练习】【答案】B 
【解析】沿电场线方向电势降低,由图可知,B 点的电势高于A 点的电势,A 错误;由图
可知,A 点电场线比B 点密集,因此A 点的场强大于B 点的场强,故尘埃在A 点受到的电
场力大于在B 点受到的电场力,则尘埃在A 点的加速度大于在B 点的加速度,B 正确;放
电极与集尘极间建立非匀强电场,尘埃所受的电场力是变化的,故尘埃不可能做匀变速运
动,C 错误;由图可知,尘埃进入静电除尘区时,速度方向与电场力方向的夹角为钝角,
电场力做负功,电势能增大;后来变为锐角,电场力做正功,电势能减小;对于全过程而
言,根据电势的变化可知,电势能减小,D 错误。
题型五:匀强电场的电场线模型
【典例5 提高题】如图所示,实线表示一匀强电场的电场线,电场方向未知.一电子以一
定的初速度由A 点射入电场,虚线为电子的运动轨迹,B 点是运动轨迹上的一点,则(  
)
A.A 点电势高于B 点电势
B.电子在B 点的电势能大于在A 点的电势能
C.电子在A 点的速度大于在B 点的速度
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D.电子由A 到B,电场力先做负功后做正功
【典例5 提高题】【答案】D
【解析】由曲线运动的知识可知:电子所受的电场力向左,由于电子的受力与场强方向相
反,可知电场线向右,结合沿着电场线电势逐渐降低得φB>φA,故A 错误;电子从A 到B
点过程中,电场力先与速度方向成钝角做负功,后与速度方向成锐角力做正功,D 项正确;
由A 到B,电场力做的总功为正功,则电子的电势能减小,即B 点的电势能小于A 点的电
势能,动能增大,则B 点的速度大于A 点速度,故B、C 错误.
【典例5 提高题对应练习】如图所示,一带负电粒子以某速度进入水平向右的匀强电场中,
在电场力作用下形成图中所示的运动轨迹。M 和N 是轨迹上的两点,其中M 点是轨迹的最
右点,不计粒子受到的重力,下列说法正确的是(      )
A.粒子在电场中的加速度先增大后减小   
B.粒子所受电场力的方向沿轨迹方向
C.粒子在M 点的速率最大              
D.粒子在电场中的电势能先增大后减小
【典例5 提高题对应练习】【答案】D
【解析】粒子在匀强电场中所受的电场力不变,则加速度不变,选项A 错误;带负电的粒
子所受电场力的方向水平向左,选项B 错误;从N 到M 电场力做负功,则粒子在M 点的
速率最小,选项C 错误;粒子从N 到M 电场力做负功,电势能增加;然后从M 向左下方
运动,电场力做正功,电势能减小,所以粒子在电场中的电势能先增大后减小,选项D 正
确。
考点三:等势线模型+带电粒子运动轨迹
题型一:某电场的等势线模型
【典例1 提高题】
如图所示,图中虚线为某静电场中的等差等势线,实线为某带电粒
子在该静电场中的运动轨迹,a、b、c 为粒子的运动轨迹和等势线的交点,粒子只受静电
力作用,以下说法正确的是(  )
A.a 点的电场强度大于b 点的电场强度
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B.粒子在a 点的动能比在b 点的动能小
C.粒子在a 点和c 点的速度相同
D.粒子在b 点的电势能比在c 点的电势能大
【典例1 提高题】
【答案】D
【解析】根据等差等势线越密,场强越强的特点,则a 点的电场强度小于b 点的电场强度,
所以A 错误;由曲线运动的特点知合外力指向轨迹弯曲的一面,所以粒子从a 到b 过程中,
静电力做负功,则粒子在a 点的动能比在b 点的动能大,所以B 错误;a 点与c 点处于同一
等势线上,粒子在a 点和c 点的速度大小相等,但是方向不同,所以C 错误;粒子从b 到
c,静电力做正功,粒子在b 点的电势能比在c 点的电势能大,所以D 正确.
【典例1 提高题对应练习】
如图所示,虚线a、b、c 代表电场中的三个等势面,相邻
等势面之间的电势差相等,即Uab=Ubc,实线为一带负电的质点仅在电场力的作用下通过
该区域时的运动轨迹,P、Q 是这条轨迹上的两点,据此可知(  )
A.三个等势面中,c 的电势最高
B.带电质点通过P 点的电势能比Q 点大
C.带电质点通过P 点的动能比Q 点大
D.带电质点通过P 点时的加速度比Q 点小
【典例1 提高题对应练习】
【答案】B
【解析】电荷所受电场力指向轨迹内侧,由于电荷带负电,因此电场线指向左上方,沿电
场线方向电势降低,故c 等势面的电势最低,a 等势面的电势最高,故A 错误;P 点电势小
于Q 点电势,粒子带负电,则带电质点通过P 点的电势能比Q 点的电势能大,根据能量守
恒可知,带电质点通过P 点的动能比Q 点的动能小,故B 正确,C 错误;等势线密的地方
电场强度大,加速度大,故质点通过P 点时的加速度较大,故D 错误。
题型二:一个点电荷的等势线模型
【典例2 提高题】如图所示,虚线为位于O 位置的点电荷形成电场中的等势面,已知三个
等势面的电势差关系为φ1-φ2=φ2-φ3,图中的实线为一带负电的粒子进入该电场后的运
动轨迹,与等势面相交于图中的a、b、c、d 四点,已知该粒子仅受电场力的作用,则下列
说法正确的是(  )
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A.该粒子只有在a、d 两点的动能与电势能之和相等
B.场源电荷是正电荷
C.φ1>φ2>φ3
D.电场力对该粒子先做负功后做正功
【典例2 提高题】【答案】D
【解析】该粒子仅受电场力的作用,粒子的动能与电势能之和始终不变,故A 项错误;据
粒子轨迹可知,粒子受到场源电荷的排斥力,则场源电荷是负电荷,故B 项错误;场源电
荷是负电荷,电场线指向负电荷,则φ1<φ2<φ3,故C 项错误;粒子受到场源电荷的排斥
力,粒子运动方向先与排斥力成钝角后与排斥力成锐角,则电场力对该粒子先做负功后做
正功,故D 项正确。
题型三:两个点电荷的等势线模型
【典例3 提高题】如图所示,在两等量异种点电荷连线上有D、E、F 三点,且DE=
EF.K、M、L 分别为过D、E、F 三点的等势面.一不计重力的带负电粒子,从a 点射入电
场,运动轨迹如图中实线所示,以|Wab|表示该粒子从a 点到b 点电场力做功的数值,以|Wbc|
表示该粒子从b 点到c 点电场力做功的数值,则(  )
A.|Wab|=|Wbc|
B.|Wab|<|Wbc|
C.粒子由a 点到b 点,动能减少
D.a 点的电势较b 点的电势低
【典例3 提高题】【答案】C
【解析】由等量异种点电荷的电场线特点可知靠近电荷处电场强度大,类比公式U=Ed 知|
Uab|>|Ubc|,而W=qU,所以|Wab|>|Wbc|,则A、B 均错误;从带负电粒子的运动轨迹可知
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该粒子从a 点到c 点受到大体向左的作用力,故左侧为正电荷,从左向右电势降低,则D
错误;粒子由a 点到b 点,电场力做负功,电势能增加,动能减少,则C 正确.
题型四:匀强电场的等势线模型
【典例4 提高题】(多选)图中虚线1、2、3、4 表示匀强电场的等势面.一带正电的粒子只
在电场力的作用下从a 点运动到b 点,轨迹如图中实线所示.下列说法中正确的是(  )
A.等势面1 电势最低
B.粒子从a 运动到b,动能减小
C.粒子从a 运动到b,电势能减小
D.粒子从a 运动到b 的过程中电势能与动能之和不变
【典例4 提高题】【答案】CD
【解析】电场线与等势面垂直,正电荷所受电场力的方向与场强方向相同,曲线运动所受
合力指向曲线的凹侧;带正电的粒子只在电场力的作用下,从a 点运动到b 点,轨迹如图
中实线所示,可画出速度和电场线及受力方向如图所示,则电场力的方向向右,电场线的
方向向右,顺着电场线电势降低,等势面1 电势最高,故选项A 错误;粒子从a 运动到
b,只受电场力作用,电场力的方向与运动方向成锐角,电场力做正功,粒子的动能增大,
电势能减小,故选项B 错误,C 正确;粒子从a 运动到b 的过程中,只受电场力作用,粒
子的电势能与动能之和不变,故选项D 正确.
【典例4 提高题对应练习】如图所示,三条平行等间距的虚线表示电场中的三个等势面,
电势值分别为10 V、20 V、30 V,实线是一带电粒子(不计重力)在该区域内的运动轨迹,
a、b、c 是轨迹上的三个点,下列说法正确的是(     )
A.粒子在三点所受的电场力不相等          
B.粒子必先过a,再到b,然后到c
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C.粒子在三点所具有的动能大小关系为Ekb>Eka>Ekc
D.粒子在三点的电势能大小关系为Epc<Epa<Epb
【典例4 提高题对应练习】【答案】D
【解析】根据电场线与等势面垂直,沿着电场线电势逐渐降低,可知粒子带负电,电场为
匀强电场,则粒子在三点所受的电场力相等.因速度方向未知,则粒子不一定必先过a,
再到b,然后到c,也可以反之;粒子无论是先从a 到b 再到c,还是先从c 到b 再到a,电
场力均先做负功,再做正功,动能先减少后增加,电势能先增加后减少,故D 正确.
题型五:电场线+等势线模型+带电粒子运动轨迹
【典例5 提高题】(多选)如图所示是阴极射线示波管的聚焦电场,实线为电场线,虚线
为等差等势线,a、b、c 为一个从左侧进入聚焦电场的电子运动轨迹上的三点,不计电子
的重力,则(      )
A.电场中a 点的电势高于c 点的电势          
B.电子在a 点的动能大于在c 点的动能
C.电子在b 点的加速度大于在c 点的加速度 
D.电子在b 点的电势能大于在c 点的电势能
【典例5 提高题】【答案】CD
【解析】沿电场线方向电势降低,由图中电场线方向可知c 点电势高,A 错误,电子带负
电,受电场力方向与电场线方向相反,速度方向沿轨迹切线方向,从a 到c 电场力与速度
方向夹角小于90°,电场力做正功,动能增大,电势能减小,B 错误,D 正确;电场线越
密集处电场强度越大,由题图可知b 点场强大于c 点,则电子在b 点受电场力大,加速度
大,C 正确.
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