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一、單棒問題 二、含容式單棒問題 三、無外力雙棒問題 四、有外力雙棒問題 題型一阻尼式單棒 模型如圖。 1.電路特點:導(dǎo)體棒相當(dāng)于電源。 2.安培力的特點:安培力為阻力,并隨速度減小而減小。FB=BIl=B2L2V2/(R+r) 3.加速度特點:加速度隨速度減小而減小,a== FB/m=B2L2V2/m(R+r) 4.運動特點:速度如圖所示。 a減小的減速運動 5.最終狀態(tài):靜止 6.三個規(guī)律 (1)能量關(guān)系:1/2mv2-0 = Q,QR/Qr = R/r (2)動量關(guān)系: (3)瞬時加速度: 【典例1】如圖所示,在光滑的水平面上,有一垂直向下的勻強磁場分布在寬為L的區(qū)域內(nèi),有一個邊長為a(a<>
A. 完全進入磁場中時線圈的速度大于(v0+v)/2 B. 安全進入磁場中時線圈的速度等于(v0+v)/2 C. 完全進入磁場中時線圈的速度小于(v0+v)/2 D. 以上情況A、B均有可能,而C是不可能的 【典例2】如圖所示,AB桿受一沖量作用后以初速度v0=4m/s沿水平面內(nèi)的固定軌道運動,經(jīng)一段時間后而停止.AB的質(zhì)量為m=5g,導(dǎo)軌寬為L=0.4m,電阻為R=2Ω,其余的電阻不計,磁感強度B=0.5T,棒和導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為μ=0.4,測得桿從運動到停止的過程中通過導(dǎo)線的電量q=10-2C,求:上述過程中(g取10m/s2)
(1)AB桿運動的距離; (2)AB桿運動的時間; (3)當(dāng)桿速度為2m/s時,其加速度為多大? 題型二發(fā)電式單棒
1.電路特點 導(dǎo)體棒相當(dāng)于電源,當(dāng)速度為v時,電動勢E=Blv 2.安培力的特點 安培力為阻力,并隨速度增大而增大
3.加速度特點 加速度隨速度增大而減小
4.運動特點:速度如圖所示
a減小的加速運動 5.最終特征:勻速運動 6.兩個極值 (1) v=0時,有最大加速度:
(2)a=0時,有最大速度
7. 穩(wěn)定后的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律
8.起動過程中的三個規(guī)律 (1)動量關(guān)系:
(2)能量關(guān)系:
(3)瞬時加速度
9.幾種變化 (1) 電路變化
(2) 磁場方向變化
(3) 拉力變化
若勻加速拉桿則F大小恒定嗎? (4)導(dǎo)軌面變化(豎直或傾斜)
加沿斜面恒力或通過定滑輪掛一重物或加一開關(guān) 【典例3】如圖所示,水平放置的光滑平行金屬導(dǎo)軌上有一質(zhì)量為m的金屬棒ab.導(dǎo)軌的一端連接電阻R,其他電阻均不計,磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場垂直于導(dǎo)軌平面向下,金屬棒ab在一水平恒力F作用下由靜止開始向右運動.則()
A.隨著ab運動速度的增大,其加速度也增大 B.外力F對ab做的功等于電路中產(chǎn)生的電能 C.當(dāng)ab做勻速運動時,外力F做功的功率等于電路中的電功率 D.無論ab做何種運動,它克服安培力做的功一定等于電路中產(chǎn)生的電能 【典例4】一個閉合回路由兩部分組成,如圖所示,右側(cè)是電阻為r的圓形導(dǎo)線,置于豎直方向均勻變化的磁場B1中,左側(cè)是光滑的傾角為θ的平行導(dǎo)軌,寬度為d,其電阻不計.磁感應(yīng)強度為B2的勻強磁場垂直導(dǎo)軌平面向上,且只分布在左側(cè),一個質(zhì)量為m、電阻為R的導(dǎo)體棒此時恰好能靜止在導(dǎo)軌上,分析下述判斷正確的是()
A.圓形導(dǎo)線中的磁場,可以方向向上且均勻增強,也可以方向向下且均勻減弱 B.導(dǎo)體棒ab受到的安培力大小為mgsin θ C.回路中的感應(yīng)電流為mgsin θ/B2d D.圓形導(dǎo)線中的電熱功率為m2g2sin2θ(r+R)/B22d2 【典例4】如圖甲所示,兩根足夠長平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ相距為L,導(dǎo)軌平面與水平面夾角為α,金屬棒ab垂直于MN、PQ放置在導(dǎo)軌上,且始終與導(dǎo)軌接觸良好,金屬棒的質(zhì)量為m。導(dǎo)軌處于勻強磁場中,磁場的方向垂直于導(dǎo)軌平面斜向上,磁感應(yīng)強度大小為B。金屬導(dǎo)軌的上端與開關(guān)S、定值電阻R1和電阻箱R2相連。不計一切摩擦,不計導(dǎo)軌、金屬棒的電阻,重力加速度為g?,F(xiàn)在閉合開關(guān)S,將金屬棒由靜止釋放
(1) 判斷金屬棒ab中電流的方向; (2) 若電阻箱R2接入電路的阻值為0,當(dāng)金屬棒下降高度為h時,速度為v,求此過程中定值電阻上產(chǎn)生的焦耳熱Q; (3) 當(dāng)B=0.40 T,L=0.50 m,α=37°時,金屬棒能達到的最大速度vm隨電阻箱R2阻值的變化關(guān)系,如圖乙所示。取g=10 m/s2,sin 37°=0.60,cos 37°=0.80。求R1的阻值和金屬棒的質(zhì)量m。 題型三無外力等距雙棒
1.電路特點 棒2相當(dāng)于電源;棒1受安培力而加速起動,運動后產(chǎn)生反電動勢. 2.電流特點:
隨著棒2的減速、棒1的加速,兩棒的相對速度v2-v1變小,回路中電流也變小。 v1=0時:電流最大,
v2=v1時:電流I=0 3. 兩棒的運動情況
安培力大?。?/p>
兩棒的相對速度變小,感應(yīng)電流變小,安培力變小.棒1做加速度變小的加速運動,棒2做加速度變小的減速運動,最終兩棒具有共同速度。 4.兩個規(guī)律 (1)動量規(guī)律 兩棒受到安培力大小相等方向相反,系統(tǒng)合外力為零,系統(tǒng)動量守恒
(2)能量轉(zhuǎn)化規(guī)律 系統(tǒng)機械能的減小量等于內(nèi)能的增加量.(類似于完全非彈性碰撞)
兩棒產(chǎn)生焦耳熱之比:
5.幾種變化: (1)初速度的提供方式不同
(2) 磁場方向與導(dǎo)軌不垂直
(2) 兩棒都有初速度
兩棒動量守恒嗎? (2) 兩棒位于不同磁場中
兩棒動量守恒嗎? 【典例5】如圖所示,兩根足夠長的平行金屬導(dǎo)軌固定在傾角θ=30°的斜面上,導(dǎo)軌電阻不計,間距L=0.4 m.導(dǎo)軌所在空間被分成區(qū)域Ⅰ和Ⅱ,兩區(qū)域的邊界與斜面的交線為MN,Ⅰ中的勻強磁場方向垂直斜面向下,Ⅱ中的勻強磁場方向垂直斜面向上,兩磁場的磁感應(yīng)強度大小均為B=0.5 T.在區(qū)域Ⅰ中,將質(zhì)量m1=0.1 kg,電阻R1=0.1 Ω 的金屬條ab放在導(dǎo)軌上,ab剛好不下滑.然后,在區(qū)域Ⅱ中將質(zhì)量m2=0.4 kg,電阻R2=0.1 Ω的光滑導(dǎo)體棒cd置于導(dǎo)軌上,由靜止開始下滑.cd在滑動過程中始終處于區(qū)域Ⅱ的磁場中,ab、cd始終與導(dǎo)軌垂直且兩端與導(dǎo)軌保持良好接觸,取g=10 m/s2,問:
(1)cd下滑的過程中,ab中的電流方向; (2)ab剛要向上滑動時,cd的速度v多大; (3)從cd開始下滑到ab剛要向上滑動的過程中,cd滑動的距離x=3.8 m,此過程中ab上產(chǎn)生的熱量Q是多少. 題型四有外力等距雙棒
1.電路特點 棒2相當(dāng)于電源,棒1受安培力而起動. 2.運動分析: 某時刻回路中電流:
安培力大小:FB=BIl
當(dāng)a2=a1時,v2-v1恒定,I恒定,F(xiàn)B恒定,兩棒勻加速 4. 穩(wěn)定時的速度差
4.變化 (1)兩棒都受外力作用
(2) 外力提供方式變化
【典例6】如圖所示,兩根足夠長的平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ與水平面的夾角α=30°,導(dǎo)軌光滑且電阻不計,導(dǎo)軌處在垂直導(dǎo)軌平面向上的有界勻強磁場中.兩根電阻都為R=2 Ω、質(zhì)量都為m=0.2 kg的完全相同的細(xì)金屬棒ab和cd垂直導(dǎo)軌并排靠緊的放置在導(dǎo)軌上,與磁場上邊界距離為x=1.6 m,有界勻強磁場寬度為3x=4.8 m.先將金屬棒ab由靜止釋放,金屬棒ab剛進入磁場就恰好做勻速運動,此時立即由靜止釋放金屬棒cd,金屬棒cd在出磁場前已做勻速運動.兩金屬棒在下滑過程中與導(dǎo)軌接觸始終良好(取重力加速度g=10 m/s2).求:
(1)金屬棒ab剛進入磁場時棒中電流I; (2)金屬棒cd在磁場中運動的過程中通過回路某一截面的電荷量q; (3)兩根金屬棒全部通過磁場的過程中回路產(chǎn)生的焦耳熱Q. 【典例7】如圖所示,間距l(xiāng)=0.3 m的平行金屬導(dǎo)軌a1b1c1和a2b2c2分別固定在兩個豎直面內(nèi).在水平面a1b1b2a2區(qū)域內(nèi)和傾角θ=37°的斜面c1b1b2c2區(qū)域內(nèi)分別有磁感應(yīng)強度B1=0.4 T、方向豎直向上和B2=1 T、方向垂直于斜面向上的勻強磁場.電阻R=0.3 Ω、質(zhì)量m1=0.1 kg、長為l的相同導(dǎo)體桿K、S、Q分別放置在導(dǎo)軌上,S桿的兩端固定在b1、b2點,K、Q桿可沿導(dǎo)軌無摩擦滑動且始終接觸良好.一端系于K桿中點的輕繩平行于導(dǎo)軌繞過輕質(zhì)定滑輪自然下垂,繩上穿有質(zhì)量m2=0.05 kg的小環(huán).已知小環(huán)以a=6 m/s2的加速度沿繩下滑.K桿保持靜止,Q桿在垂直于桿且沿斜面向下的拉力F作用下勻速運動.不計導(dǎo)軌電阻和滑輪摩擦,繩不可伸長.取g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.求:
(1)小環(huán)所受摩擦力的大??; (2)Q桿所受拉力的瞬時功率. 題型五電容放電式:
1.電路特點 電容器放電,相當(dāng)于電源;導(dǎo)體棒受安培力而運動。 2.電流的特點 電容器放電時,導(dǎo)體棒在安培力作用下開始運動,同時產(chǎn)生阻礙放電的反電動勢,導(dǎo)致電流減小,直至電流為零,此時UC=Blv 3.運動特點 a漸小的加速運動,最終做勻速運動。
4.最終特征:勻速運動,但此時電容器帶電量不為零
易錯點:認(rèn)為電容器最終帶電量為零 7.幾種變化 (1)導(dǎo)軌不光滑
(2) 光滑但磁場與導(dǎo)軌不垂直 【典例8】如圖所示,在水平面內(nèi)有一個半徑為a的金屬圓盤,處在豎直向下磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,金屬圓盤繞中心O順時針勻速轉(zhuǎn)動,圓盤的邊緣和中心分別通過電刷與右側(cè)電路相連,圓盤的邊緣和中心之間的等效電阻為r,外電阻為R,電容器的電容為C,單刀雙擲開關(guān)S與觸頭1閉合,電路穩(wěn)定時理想電壓表讀數(shù)為U,右側(cè)光滑平行水平導(dǎo)軌足夠長,處在豎直向下磁感強度也為B的勻強磁場中,兩導(dǎo)軌電阻不計,間距為L,導(dǎo)軌上垂直放置質(zhì)量為m,電阻也為R的導(dǎo)體棒,導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌始終垂直且接觸良好,求:
(1)金屬圓盤勻速轉(zhuǎn)動的角度ω; (2)開關(guān)S與觸頭2閉合后,導(dǎo)體棒運動穩(wěn)定時的速度v. 題型六電動式單棒
1.電路特點:導(dǎo)體為電動邊,運動后產(chǎn)生反電動勢(等效于電機)。 2.安培力的特點 安培力為運動動力,并隨速度減小而減小。
3.加速度特點:加速度隨速度增大而減小
4.運動特點 a減小的加速運動
5.最終特征:勻速運動 6.兩個極值 (1)最大加速度: v=0時,E反=0,電流、加速度最大
最大速度:穩(wěn)定時,速度最大,電流最小
7.穩(wěn)定后的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律
8. 起動過程中的三個規(guī)律 (1)動量關(guān)系:
(2) 能量關(guān)系:
(3) 瞬時加速度:
9.幾種變化 (1)導(dǎo)軌不光滑
(2)傾斜導(dǎo)軌
(3) 有初速度
(4) 磁場方向變化
【典例9】如圖所示,水平放置的足夠長平行導(dǎo)軌MN、PQ的間距為L=0.1m,電源的電動勢E=10V,內(nèi)阻r=0.1Ω,金屬桿EF的質(zhì)量為m=1kg,其有效電阻為R=0.4Ω,其與導(dǎo)軌間的動摩擦因素為μ=0.1,整個裝置處于豎直向上的勻強磁場中,磁感應(yīng)強度B=1T,現(xiàn)在閉合開關(guān),求: (1)閉合開關(guān)瞬間,金屬桿的加速度; (2)金屬桿所能達到的最大速度; (3)當(dāng)其速度為v=20m/s時桿的加速度為多大?(g=10m/s2,不計其它阻力).
【典例10】如圖所示,長平行導(dǎo)軌PQ、MN光滑,相距l(xiāng)=0.5m,,處在同一水平面中,磁感應(yīng)強度B=0.8T的勻強磁場豎直向下穿過導(dǎo)軌面.橫跨在導(dǎo)軌上的直導(dǎo)線ab的質(zhì)量m =0.1kg、電阻R=0.8Ω,導(dǎo)軌電阻不計.導(dǎo)軌間通過開關(guān)S將電動勢E =1.5V、內(nèi)電阻r =0.2Ω的電池接在M、P兩端,試計算分析:
(1)在開關(guān)S剛閉合的初始時刻,導(dǎo)線ab的加速度多大?隨后ab的加速度、速度如何變化? (2)在閉合開關(guān)S后,怎樣才能使ab以恒定的速度υ =7.5m/s沿導(dǎo)軌向右運動?試描述這時電路中的能量轉(zhuǎn)化情況(通過具體的數(shù)據(jù)計算說明). 題型七電容無外力充電式
1.電路特點 導(dǎo)體棒相當(dāng)于電源;電容器被充電. 2.電流的特點 導(dǎo)體棒相當(dāng)于電源;F安為阻力,棒減速,E減小,有
I感漸小,電容器被充電。UC漸大,阻礙電流,當(dāng)Blv=UC時,I=0,F(xiàn)安=0,棒勻速運動。 3.運動特點:a漸小的加速運動,最終做勻速運動。 4.最終特征:勻速運動,但此時電容器帶電量不為零
5.最終速度 電容器充電量:q=CU = 最終導(dǎo)體棒的感應(yīng)電動勢等于電容兩端電壓:U=Blv
【典例11】光滑U型金屬框架寬為L,足夠長,其上放一質(zhì)量為m的金屬棒ab,左端連接有一電容為C的電容器,現(xiàn)給棒一個初速v0,使棒始終垂直框架并沿框架運動,如圖所示。求導(dǎo)體棒的最終速度。
題型八電容有外力充電式 1.電路特點 導(dǎo)體為發(fā)電邊;電容器被充電。
4.幾種變化: (1)導(dǎo)軌不光滑
(2)恒力的提供方式不同
(3)電路的變化
【典例12】如圖所示, 豎直放置的光滑平行金屬導(dǎo)軌, 相距l(xiāng) , 導(dǎo)軌一端接有一個電容器, 電容量為C, 勻強磁場垂直紙面向里, 磁感應(yīng)強度為B, 質(zhì)量為m的金屬棒ab可緊貼導(dǎo)軌自由滑動.現(xiàn)讓ab由靜止下滑, 不考慮空氣阻力, 也不考慮任何部分的電阻和自感作用. 問金屬棒的做什么運動?棒落地時的速度為多大?
【精選針對訓(xùn)練】 1. 如圖所示,開口向下的導(dǎo)線框固定在豎直平面內(nèi),上端有一開關(guān),線框處于與其平面垂直的勻強磁場中,磁場的寬度為h.一導(dǎo)體棒開始時靜止于A位置,然后釋放,導(dǎo)體棒剛進入磁場時,閉合開關(guān)S.用x表示導(dǎo)體棒進入磁場后的位移,i表示棒中的感應(yīng)電流大小,v表示導(dǎo)體棒的速度大小,EK表示導(dǎo)體棒的動能,a表示導(dǎo)體棒的加速度大小,導(dǎo)體棒與線框的兩個邊垂直并接觸良好.以下圖像可能正確的是()
2. 如圖所示,間距為l的足夠長光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ豎直放置,一磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場垂直穿過導(dǎo)軌平面,導(dǎo)軌的上端M與P間連接阻值為R的電阻,質(zhì)量為m、電阻為r的金屬棒ab緊貼在導(dǎo)軌上.現(xiàn)使金屬棒ab由靜止開始下滑,經(jīng)時間t下落距離h后達到最大速度,導(dǎo)軌電阻不計,重力加速度為g.以下判斷正確的是()
A.流過金屬棒ab的電流方向為由a到b B.從開始運動到達到最大速度的時間內(nèi),通過金屬棒ab的電荷量為Blh/(R+r) C.金屬棒的最大速度為mg(R+r)/2B2l2 D.整個下落過程中金屬棒ab減少的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為電能 3.在傾角為θ、足夠長的光滑斜面上,存在著兩個磁感應(yīng)強度相等的勻強磁場,磁場方向一個垂直斜面向上,另一個垂直斜面向下,寬度均為L,如圖6所示.一個質(zhì)量為m、電阻為R、邊長也為L的正方形線框abcd.在t=0時刻以速度v0進入磁場,好做勻速直線運動.經(jīng)過時間t0線框ab邊到達gg′與ff′正中間位置時框又恰好開始做勻速運動,則下列說法正確的是()
A.當(dāng)ab邊剛越過ff′時,線框加速度的大小為3gsin θ B.t0時刻線框勻速運動的速度為v0/2 C.t0時間內(nèi)線框中產(chǎn)生的熱量為3/2mgLsin θ+15/32mv02 D.線框離開磁場的過程中一直做勻速直線運動 4.如圖所示,在水平桌面上放置兩條相距l(xiāng)的平行光滑導(dǎo)軌ab與cd,阻值為R的電阻與導(dǎo)軌的a、c端相連.質(zhì)量為m、邊長為l、電阻不計的正方形線框垂直于導(dǎo)軌并可在導(dǎo)軌上滑動.整個裝置放于勻強磁場中,磁場的方向豎直向上,磁感應(yīng)強度的大小為B.線框的中點系一不可伸長的輕繩,繩繞過固定在桌邊的光滑輕滑輪后,與一個質(zhì)量也為m的物塊相連,繩處于拉直狀態(tài).現(xiàn)若從靜止開始釋放物塊,用h表示物塊下落的高度(物塊不會觸地),g表示重力加速度,其他電阻不計,則()
A.因通過正方形線框的磁通量始終不變,故電阻R中沒有感應(yīng)電流 B.物塊下落的加速度為0.5g C.若h足夠大,物塊下落的最大速度為mgR/B2l2 D.通過電阻R的電荷量為Blh/R 5.如圖所示,處于勻強磁場中的兩根足夠長、電阻不計的平行金屬導(dǎo)軌相距L=1 m.導(dǎo)軌平面與水平面成θ=37°角,下端連接阻值為R=4 Ω的電阻.勻強磁場方向垂直于導(dǎo)軌平面向下,磁感應(yīng)強度為B=1 T.質(zhì)量m=0.4 kg、電阻r=1 Ω的金屬棒放在兩導(dǎo)軌上,棒與導(dǎo)軌垂直且接觸良好,它們間的動摩擦因數(shù)μ=0.25,金屬棒以初速度v0=20 m/s沿導(dǎo)軌滑下,g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.求:
(1)金屬棒沿導(dǎo)軌下滑的最大加速度; (2)金屬棒下滑時電阻R消耗的最小功率. 6. 光滑平行的金屬導(dǎo)軌MN和PQ,間距L=1.0 m,與水平面之間的夾角α=30°,勻強磁場磁感應(yīng)強度B=2.0 T,垂直于導(dǎo)軌平面向上,MP間接有阻值R=2.0 Ω的電阻,其它電阻不計,質(zhì)量m=2.0 kg的金屬桿ab垂直導(dǎo)軌放置,如圖甲所示.用恒力F沿導(dǎo)軌平面向上拉金屬直桿ab,由靜止開始運動,vt圖像如圖乙所示,g=10 m/s2,導(dǎo)軌足夠長.求:
(1)恒力F的大??; (2)根據(jù)vt圖像估算在前0.8 s內(nèi)電阻上產(chǎn)生的熱量. 7. 如圖所示,兩條平行的足夠長的光滑金屬導(dǎo)軌與水平面成α=37°角,導(dǎo)軌間距離L=0.6 m,其上端接一電容和一固定電阻,電容C=10 μF,固定電阻R=4.5 Ω.導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌垂直且水平,其質(zhì)量m=3×10-2kg,電阻r=0.5 Ω.整個裝置處于垂直導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場中,已知磁感應(yīng)強度B=0.5 T,取g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.現(xiàn)將ab棒由靜止釋放,當(dāng)它下滑的速度達到穩(wěn)定時,求:
(1)此時通過ab棒的電流; (2)ab棒的速度大??; (3)電容C與a端相連的極板所帶的電荷量. 8. 平行金屬導(dǎo)軌MN豎直放置于絕緣水平地板上如圖所示,金屬桿PQ可以緊貼導(dǎo)軌無摩擦滑動,導(dǎo)軌間除固定電阻R外,其他電阻不計,勻強磁場B垂直穿過導(dǎo)軌平面,導(dǎo)體棒PQ質(zhì)量為M,閉合S,同時讓金屬桿PQ自由下落,試確定穩(wěn)定時, (1)金屬桿的速度是多少? (2)若將固定電阻R換成一個耐壓值足夠大的電容器,電容為C.閉合S的同時,釋放金屬桿,試求穩(wěn)定狀態(tài)下回路的電流.
9. 如圖所示,兩根足夠長的光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ間距為l=0.5 m,其電阻不計,兩導(dǎo)軌及其構(gòu)成的平面均與水平面成30°角.完全相同的兩金屬棒ab、cd分別垂直導(dǎo)軌放置,每棒兩端都與導(dǎo)軌始終有良好接觸,已知兩棒質(zhì)量均為m=0.02 kg,電阻均為R=0.1 Ω,整個裝置處在垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場中,磁感應(yīng)強度B=0.2 T,棒ab在平行于導(dǎo)軌向上的力F作用下,沿導(dǎo)軌向上勻速運動,而棒cd恰好能夠保持靜止,取g=10 m/s2,問:
(1)通過棒cd的電流I是多少,方向如何? (2)棒ab受到的力F多大? (3)棒cd每產(chǎn)生Q=0.1 J的熱量,力F做的功W是多少? |
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