2024-2025学年高中物理第三章牛顿运动定律第三节牛顿第二定律教案教科版必修1_第1页
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PAGE19-第三节牛顿其次定律学问点一牛顿其次定律(1)内容:物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比,跟它的质量成反比,加速度的方向跟作用力的方向相同.(2)表达式F=ma.依据你的生活阅历,思索下列现象的缘由:(1)神舟飞船返回地面时为什么要打开着陆伞?(2)赛车开出起跑线的瞬间为什么速度变更很快?提示:(1)神舟飞船打开着陆伞可以增大下落时的制动力,从而减小落地时与地面的撞击力.(2)赛车启动的瞬间发动机都开足了马力,使赛车获得了较大的加速度,因此速度变更很快.学问点二力的单位(1)1N的含义:当物体的质量是1_kg,在某力的作用下它获得的加速度是1_m/s2时,那么这个力就是1牛顿,用符号N表示.(2)比例系数k的含义:依据F=kma知,k=eq\f(F,ma),因此k在数值上等于使单位质量的物体产生单位加速度的力的大小.k的大小由F、m、a三者的单位共同确定,三者取不同的单位时k的数值不一样,在国际单位制中,k=1.由此可知,在应用公式F=ma进行计算时,F、m、a的单位必需统一为国际单位制中相应的单位.雅典奥运会时中国飞人——刘翔在决赛时,将自己身上一切戴的东西像手表、项链等都摘了下来,穿最轻的跑鞋.这样做的科学道理在哪里?提示:因为物体质量越小,运动状态越简洁变更,也就是说在力相同的状况下,物体获得的加速度就越大.学问点三基本量、基本单位和导出单位(1)物理学的关系式在确定了物理量之间的关系的同时,也确定了物理量的单位间的关系.(2)基本量:被选定的利用物理量之间的关系推导出其他物理量的单位.(3)基本单位:依据物理量运算中的须要而选定的几个基本物理量的单位.(4)导出单位:依据物理公式中其他物理量和基本物理量的关系,推导出的其他物理量的单位.导出物理量的单位由基本物理量的单位确定.学问点四单位制和国际单位制(1)单位制:基本单位和导出单位一起组成了单位制.单位制事实上就是单位的规定.(2)国际单位制:采纳不同的物理量作为基本量,或者采纳相同的基本量,若采纳的基本单位不同,导出单位也就不同,从而产生不同的单位制.为此国际计量大会制定了一种国际通用的,包括一切计量领域的单位制,叫国际单位制(SI).(3)在力学范围内,国际单位制中的基本量为:长度、质量、时间,相应的基本单位为米、千克、秒.我们知道秦始皇统一中国后的宏大贡献之一就是统一了度量衡,试结合你所了解的学问说明单位统一的意义何在?提示:假如单位不统一,或者说不同的地方对单位有不同的规定,那对于我们探讨问题很不便利,以长度为例:欧洲曾以手掌的宽度或长度作为长度的计量单位,称为掌尺.在英国,1掌尺=7.62cm;在荷兰,1掌尺=10cm;英尺是8世纪英王的脚长,1英尺=0.3048m.10世纪时英王埃德加把自己大拇指关节间的距离定为1英寸,1英寸=2.54cm.所以,为了便于沟通合作,有必要对单位进行统一.考点一牛顿其次定律的理解牛顿其次定律揭示了加速度与力及质量的关系,着重解决了加速度的大小、方向和确定因素等问题.对于牛顿其次定律,应从以下几方面加深理解:同体性加速度、合外力和质量是对应于同一个物体的,所以分析问题时确定要确定好探讨对象,把探讨对象全过程的受力状况都搞清晰因果性只要物体所受合力不为0(无论合力多么小),物体就会获得加速度,即力是产生加速度的缘由.物体的加速度是力这一外因和质量这一内因共同的结果矢量性F=ma是矢量式,加速度与合外力都是矢量.物体的加速度的方向由它所受的合外力的方向确定,且总与合外力的方向相同(同向性),而物体的速度方向与合外力的方向之间则没有这种关系.应用时应规定正方向,凡是与正方向相同的力和加速度取正值,反之取负值,在一般状况下取加速度的方向为正方向瞬时性牛顿其次定律表示的是力的瞬时作用规律.物体在某一时刻加速度的大小和方向是由该物体在这一时刻所受到的合外力的大小和方向确定的.当物体所受到的合外力发生变更时,它的加速度随即也要发生变更,F=ma对运动过程的每一瞬时都成立.加速度与力是同一时刻的对应量,即同时产生(虽有因果关系,但却不分先后)、同时变更、同时消逝统一性牛顿其次定律是试验定律,通过试验得出F∝ma,写成等式F=kma,其中k为比例系数.若使k=1,那么就有F=ma.力、质量、加速度的单位必需统一运用同一单位制(通常运用国际单位制)独立性作用于物体上的每一个力各自产生的加速度都遵从牛顿其次定律,而物体的实际加速度则是每个力产生的加速度的矢量和,分力和加速度在各个方向上的重量关系也遵从牛顿其次定律,即:Fx=max,Fy=may相对性加速度a是相对于地面的(或相对于地面静止和匀速运动的物体),即相对于惯性参考系的,牛顿其次定律仅适用于惯性参考系局限性牛顿其次定律中只能解决物体的低速运动问题,不能解决物体的高速运动问题,只适用于宏观物体,不适用于微观粒子【例1】(多选)下列对牛顿其次定律的表达式F=ma及其变形公式的理解,正确的是()A.由F=ma可知,物体所受的合力与物体的质量成正比,与物体的加速度成反比B.由m=eq\f(F,a)可知,物体的质量与其所受的合力成正比,与其运动的加速度成反比C.由a=eq\f(F,m)可知,物体的加速度与其所受的合力成正比,与其质量成反比D.由m=eq\f(F,a)可知,物体的质量可以通过测量它的加速度和它所受的合力而求出解答本题时应把握以下两点:(1)物体的加速度确定于物体所受的合力和物体的质量.(2)物体的质量确定于物体本身.【解析】牛顿其次定律的表达式F=ma表明白各物理量之间的数量关系,即已知两个量,可以求第三个量;物体的质量由物体本身确定,与受力无关;物体所受的合力,是由和它相互作用的物体共同产生的,与物体的质量和加速度无关;而由a=eq\f(F,m)可知,物体的加速度与所受合外力成正比,与其质量成反比.综上分析知,选项A、B错误,C、D正确.【答案】CD总结提能a=eq\f(F,m)是加速度的确定式,故a与F成正比,与m成反比,由其变形公式m=eq\f(F,a)可以求解物体的质量,但不能认为m与F成正比,与a成反比.一物体在多个力的作用下处于静止状态,假如仅使其中某个力的大小渐渐减小到零,然后又渐渐从零复原到原来大小,在上述过程中,此力的方向始终保持不变,那么如图所示的v-t图像中,可能符合此过程中物体运动状况的是(D)解析:其中的一个力渐渐减小到零的过程中,物体受到的合力渐渐增大,则其加速度渐渐增大,速度时间图像中图线的斜率表示加速度,所以在力渐渐减小到零的过程中,图线的斜率的确定值渐渐增大,当这个力又从零复原到原来大小时,合力渐渐减小,加速度渐渐减小,图线斜率的确定值渐渐减小,只有D符合题意.考点二正交分解法在牛顿其次定律解题中的应用)正交分解法是把一个矢量分解在两个相互垂直的坐标轴上的方法,是一种常用的矢量运算方法.其实质是将困难的矢量运算转化为简洁的代数运算,从而简捷便利地解题,是解牛顿其次定律问题的基本方法.物体在受到三个或三个以上的力的作用时,一般都用正交分解法.表示方法eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(Fx=Fx1+Fx2+Fx3+…=max,Fy=Fy1+Fy2+Fy3+…=may))为削减矢量的分解,在建立正交坐标系时,应使尽可能多的矢量落在两个坐标轴上,因此,确定x轴正方向有两种方法.(1)分解力而不分解加速度:通常以加速度的方向为x轴的正方向,建立正交坐标系,将物体所受的各个力分解到x轴和y轴上,分别得x轴和y轴上的合力Fx和Fy,依据力的独立作用原理列方程组eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(Fx=ma,,Fy=0.))(2)分解加速度而不分解力:若物体受几个相互垂直的力的作用,应用牛顿定律求解时,假如仍分解力就比较烦琐,所以在建立正交坐标系时,可依据物体的受力状况,以某个力的方向为x轴的正方向,使尽可能多的力落在坐标轴上而分解加速度a,得ax和ay,依据牛顿其次定律列方程组eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(Fx=max,,Fy=may.))温馨提示:正交分解建立坐标系的原则:(1)一般状况:以加速度的方向为一个坐标轴的正方向,垂直于加速度的方向为另一坐标轴的方向.(2)特殊状况:全部力都在两个相互垂直的方向上,而加速度不在这两个方向上,建立坐标系时应使各个力都在坐标轴上,即分解加速度而不分解力.【例2】质量为m的木块,以确定的初速度沿倾角为θ的斜面对上滑动,斜面静止不动,木块与斜面间的动摩擦因数为μ,如图所示.(1)求向上滑动时木块的加速度的大小和方向.(2)若此木块滑到最大高度后,能沿斜面下滑,求下滑时木块的加速度的大小和方向.解答本题时可按以下思路进行分析:eq\x(\a\al(选木块为,探讨对象))⇨eq\x(\a\al(对木块进行,受力分析))⇨eq\x(\a\al(沿加速度方向,建立坐标系))⇨eq\x(\a\al(依据牛顿其次,定律列方程))【解析】(1)以木块为探讨对象,因木块受到三个力的作用,故采纳正交分解法求解,建立坐标系时,以加速度的方向为x轴的正方向.木块上滑时其受力分析如图甲所示,依据题意,加速度的方向沿斜面对下,将各个力沿斜面和垂直于斜面方向正交分解.依据牛顿其次定律有mgsinθ+Ff=ma,FN-mgcosθ=0又Ff=μFN联立解得a=g(sinθ+μcosθ),方向沿斜面对下.(2)木块下滑时其受力分析如图乙所示,由题意知,木块的加速度方向沿斜面对下.依据牛顿其次定律有mgsinθ-Ff′=ma′,FN′-mgcosθ=0,又Ff′=μFN′联立解得a′=g(sinθ-μcosθ),方向沿斜面对下.【答案】(1)g(sinθ+μcosθ),方向沿斜面对下(2)g(sinθ-μcosθ),方向沿斜面对下总结提能1.当物体只受两个力的作用产生加速度时,一般采纳平行四边形定则求合力,合力方向就是加速度的方向.2.当物体受到两个以上的力作用产生加速度时,一般采纳正交分解法求解,建立坐标系的原则是让尽可能多的矢量落在坐标轴上.因此,依据详细状况可以分解力,也可以分解加速度.在分解力时,往往使加速度在某一坐标轴上,另一坐标轴上的合力为零.如图所示,自动扶梯与水平面夹角为θ,上面站着质量为m的人,当自动扶梯以加速度a加速向上运动时,求扶梯对人的弹力FN和扶梯对人的摩擦力Ff.答案:FN=mg+masinθ,Ff=macosθ解析:方法1:人受力如图甲所示,建立图示的坐标系,依据牛顿其次定律得:x方向:FNsinθ+Ffcosθ-mgsinθ=ma①y方向:FNcosθ-mgcosθ-Ffsinθ=0②由①②得:FN=mg+masinθ,Ff=macosθ方法2:如图乙建立直角坐标系,由于人的加速度方向是沿扶梯向上的,这样建立直角坐标系后,在x轴方向和y轴方向上各有一个加速度的重量,其中x轴方向的加速度重量a2=acosθ,y轴方向的加速度重量a1=asinθ.依据牛顿其次定律知:x轴方向:Ff=ma2=macosθ,y轴方向:FN-mg=ma1=masinθ,FN=mg+masinθ.考点三求瞬时加速度在应用牛顿其次定律求解物体的瞬时加速度时,常常会遇到轻绳、轻杆、轻弹簧和橡皮绳这些常见的力学模型.全面精确地理解它们的特点,可帮助我们敏捷正确地分析问题.这些模型的共同点是:都是质量可忽视的志向化模型,都会发生形变而产生弹力,同一时刻其内部弹力到处相等且与运动状态无关.这些模型的不同点是:模型特点轻绳只能产生拉力,且方向确定沿着绳子背离受力物体,不能承受压力;认为绳子不行伸长,即无论绳子所受拉力多大,长度不变(只要不被拉断);绳子的弹力可以发生突变——瞬时产生,瞬时变更,瞬时消逝轻杆既能承受拉力,又可承受压力,施力或受力方向不确定沿着杆的轴向;认为杆既不行伸长,也不行缩短,杆的弹力也可以发生突变轻弹簧既能承受拉力,又可承受压力,力的方向沿弹簧的轴线;受力后发生较大形变(弹性限度内),弹簧的长度既可变长,又可变短,遵循胡克定律;因形变量较大,产生形变或使形变消逝都有一个过程,故弹簧的弹力不能突变,在极短时间内可认为弹力不变;当弹簧被剪断时,弹力马上消逝橡皮条只能受拉力,不能承受压力;其长度只能变长,不能变短,同样遵循胡克定律;因形变量较大,产生形变或使形变消逝都有一个过程,故橡皮条的弹力同样不能突变,在极短时间内可认为弹力不变;当橡皮条被剪断时,弹力马上消逝【例3】如图所示,质量分别为mA和mB的A、B两球用轻弹簧连接,A球用细线悬挂起来,两球均处于静止状态.假如将悬挂A球的细线剪断,则剪断瞬间A、B两球的加速度各是多少?解答本题的基本思路为:(1)分析悬挂A球的细线剪断前A球和B球的受力状况;(2)分析剪断细线瞬间有哪些力发生了变更;(3)分析剪断细线后A球和B球的受力状况;(4)依据牛顿其次定律列方程求解.【解析】由于轻弹簧两端连着小球,小球若要发生一段位移,须要确定时间,故剪断细线瞬间,弹簧的弹力与剪断前相同.先分析剪断细线前A球和B球的受力状况,如图所示,A球受到重力mAg、弹簧的弹力F1和细线的拉力F2作用,B球受到重力mBg、弹簧的弹力F1′作用,且F1′=F1=mBg.剪断细线瞬间,F2消逝,但弹簧尚未收缩,仍保持原来的形变,即F1、F1′不变,故B球所受的力不变,所以此时aB=0,而A球的加速度为aA=eq\f(F1+mAg,mA)=eq\f(mB+mAg,mA),方向竖直向下.【答案】aA=eq\f(mB+mAg,mA),方向竖直向下aB=0总结提能牛顿其次定律是力的瞬时作用规律,加速度和力同时产生、同时变更、同时消逝.分析物体在某一时刻的瞬时加速度,关键是分析该时刻前后物体的受力状况及其变更.留意以下两种基本模型.(1)刚性绳模型(细钢丝、细线等):这类形变的发生和变更过程时间极短,在物体的受力状况变更(如某个力消逝)的瞬间,其形变可随之突变.(2)轻弹簧模型(轻弹簧、橡皮绳、弹性绳等):此类形变发生变更须要的时间较长,在瞬时问题中,其弹力的大小可看成是不变的.如图所示,轻弹簧上端与一质量为m的木块1相连,下端与另一质量为M的木块2相连,整个系统置于水平放置的光滑木板上,并处于静止状态.现将木板沿水平方向突然抽出,设抽出后的瞬间,木块1、2的加速度大小分别为a1、a2.重力加速度大小为g,则有(C)A.a1=0,a2=gB.a1=g,a2=gC.a1=0,a2=eq\f(m+M,M)gD.a1=g,a2=eq\f(m+M,M)g解析:本题考查牛顿定律的瞬时性和连接体问题,突破点是弄清晰在抽出木板的瞬间弹簧的形变量未变,弹力不变.抽出木板的瞬间,弹力未变,故木块1所受合力仍为零,其加速度为a1=0.对于木块2受弹簧的弹力F1=mg和重力Mg,依据牛顿其次定律得:a2=eq\f(F1+Mg,M)=eq\f(m+M,M)g.因此C项正确.考点四单位制(1)单位制基本单位和导出单位组成单位制,例如国际单位制.(2)基本单位基本单位是依据物理量运算中的须要而选定的几个基本物理量的单位.力学中选定长度、质量和时间这三个基本物理量的单位作为基本单位.质量:克、千克等;长度:厘米、米、千米等;时间:秒、分、小时等.(3)导出单位由基本物理量依据物理关系式推导出来的物理量的单位.例如,速度的单位米每秒、力的单位牛顿(千克米每二次方秒).(4)国际单位制它是一种国际通用的、包括一切计量领域的单位制.它选择物理学中的七个物理量的单位作为基本单位,并由此导出了其他物理量的单位.国际单位制中的基本单位:特殊提示(1)导出单位由基本单位通过物理量间的关系式推导而来.(2)基本单位全是国际单位制中单位时,由此推出的导出单位确定是国际单位制中单位.(3)基本单位中用常用单位的,由此推出的导出单位确定是常用单位.【例4】现有下列物理量或单位,按要求填空.①密度②米/秒③牛顿④加速度⑤质量⑥秒⑦厘米⑧长度⑨时间⑩千克(1)属于物理量的有________;(2)在国际单位制中,作为基本量的物理量有________;(3)在国际单位制中,属于基本单位的有________,属于导出单位的有________.解答本题时可按以下思路进行分析:eq\x(\a\al(先区分物理量,和单位))⇨eq\x(\a\al(再区分基本单,位和导出单位))⇨eq\x(\a\al(最终推断是否,属于国际单位))【解析】属于物理量的有①④⑤⑧⑨,属于单位的有②③⑥⑦⑩;在国际单位制中作为基本量的物理量有⑤⑧⑨;在国际单位制中属于基本单位的有⑥⑩,属于导出单位的有②③;⑦属于基本物理量的常用单位.【答案】(1)①④⑤⑧⑨(2)⑤⑧⑨(3)⑥⑩②③总结提能在国际单位制中共有七个物理量的单位被选为基本单位,其中,属于力学部分的有长度的单位(m)、质量的单位(kg)、时间的单位(s),其他物理量的单位(导出单位)都由基本单位导出.国际单位制只是诸多单位制中的一种,在实际中还存在其他的单位制.(多选)关于力学单位制,下列说法正确的是(BD)A.kg、m/s、N是导出单位B.kg、m、s是基本单位C.在国际单位制中,质量的单位可以是kg,也可以是gD.只有在国际单位制中,牛顿其次定律的表达式才是F=ma解析:力学中的基本物理量只有三个,即质量、时间和长度,它们的单位就是基本单位,而其他物理量的单位都是由这三个基本物理量的单位推导出来的,如N就是导出单位,A错误,B正确;在国际单位制中,质量的单位只能是kg,C错误;只有在全部物理量都采纳国际单位制时F=ma才能成立,D正确.考点五单位制的应用(1)简化计算过程的单位表达在解题计算时,已知量均采纳国际单位制,计算过程中不用写出各个量的单位,只要在式子末尾写出所求量的单位即可.(2)检验结果的正误物理公式既反映了各物理量间的数量关系,同时也确定了各物理量的单位关系.因此,在解题中可用单位制来粗略推断结果是否正确,假如单位制不对,结果确定错误.(3)推导单位物理公式在确定各物理量的数量关系时,同时也确定了各物理量的单位关系,所以我们可以依据物理公式中物理量间的关系推导出物理量的单位.特殊提示(1)带单位的数值统一成国际单位制单位后,如不便利书写,可用科学计数法表示,如:1μm=10-6m.(2)比较某个物理量不同值的大小时,必需先把它们的单位统一,再依据数值来比较.【例5】一列质量为103t的列车,机车牵引力为3.5×105N,运动中所受阻力为车重的0.01倍.列车由静止起先做匀加速直线运动,速度变为180km/h需多长时间?此过程中前进了多远距离?(g取10m/s2)【解析】列车总质量m=103t=106kg,总重力G=mg=106×10N=107N,运动中所受阻力F=0.01G=0.01×107N=1×105N,设列车匀加速运动的加速度为a,由牛顿其次定律得F牵-F=ma,则列车的加速度为a=eq\f(F牵-F,m)=eq\f(3.5×105-1×105,106)m/s2=0.25m/s2,列车由静止加速到v=180km/h=50m/s所用时间为t=eq\f(v-v0,a)=eq\f(50-0,0.25)s=200s.此过程中列车前进的距离为x=eq\f(v2-v\o\al(2,0),2a)=eq\f(502-0,2×0.25)m=5×103m=5km.【答案】200s5km总结提能通过本例,初步相识单位制在物理计算中的作用,物理计算中,我们一般采纳国际单位制中的单位,代入数据时应把各量的单位换算为国际单位制中的单位,计算的结果也是国际单位制的相应单位.在统一已知量的单位后,就不必一一写出各个量的单位,只在运算结果后写出正确单位就可以了,或再换算成题目要求的单位.一物体在10N恒力作用下,产生50cm/s2的加速度,以下在求物体质量的计算中,运算正确、简捷而又规范的是(C)A.m=eq\f(F,a)=eq\f(10,50)kg=0.2kgB.m=eq\f(F,a)=eq\f(10N,0.5m/s2)=20eq\f(kg·m/s2,m/s2)=20kgC.m=eq\f(F,a)=eq\f(10,0.5)kg=20kgD.m=eq\f(F,a)=eq\f(10,0.5)=20kg解析:解答本题应留意以下两点:(1)各物理量的单位统一成国际单位;(2)省去过程中单位的代入,只在数字后呈现出正确单位.A中单位没有统一;B虽然正确,但太繁琐;C既正确又简捷;D在中间过程中缺少单位.1.(多选)在牛顿其次定律的数学表达式F=kma中,有关比例系数k的说法,正确的是(BC)A.k的数值由F、m、a的数值确定B.k的数值由F、m、a的单位确定C.在国际单位制中,k=1D.在任何状况下k都等于1解析:物理公式在确定物理量数量关系的同时,也确定了物理量的单位.在F=kma中,只有“m”的单位取kg,“a”的单位取m/s2,“F”的单位取N时,才有k=1,故解除A、D,选项B、C正确.2.静止在光滑水平面上的物体,受到一个水平拉力,在力刚起先作用的瞬间,下列说法中正确的是(B)A.物体马上获得加速度和速度B.物体马上获得加速度,但速度仍为零C.物体马上获得速度,但加速度仍为零D.物体的速度和加速度均为零解析:由牛顿其次定律的同时性可知,力作用的瞬时即可获得加速度,但速度仍为零.3.如图所示,图乙中用力F取代图甲中的m,且F=mg,其余器材完全相同,不计摩擦,图甲中小车的加速度为a1,图乙中小车的加速度为a2,则(C)A.a1=a2 B.a1>a2C.a1<a2 D.无法推断解析:本题易错之处是误认为题图甲、乙的加速度相等.题图甲中,将两者看做一个整体,对整体可得mg=(M+m)a1,解得a1=eq\f(mg,M+m),题图乙中只有一个受力物体,故依据牛顿其次定律可得F=mg=Ma2,解得a2=eq\f(mg,M),故有a1<a2,C正确.4.如图所示,质量为4kg的物体静止于光滑的水平面上,若物体受到大小为20N,与水平方向成30°角斜向上的拉力F作用时沿水平面做匀加速运动,求物体的加速度的大小和方向.(g取10m/s2)答案:4.33m/s2,方向水平向右解析:对物体进行受力分析,如图所示.视察力的特点,要求合力,可将力F正交分解,则在水平方向上有:Fx=Fcosθ;在竖直方向上有:Fy=FN+Fsinθ-G;由牛顿其次定律得Fx=max=ma,Fy=may=0,所以Fcosθ=ma,以上各式代入数据可解得物体的加速度a≈4.33m/s2,方向水平向右.5.雨滴在空气中下落,当速度比较大的时候,它受到的空气阻力与其速度的二次方成正比,与其横截面积成正比,即Ff=kSv2,则比例系数k的单位是kg/m3.解析:将题给公式变形,得比例系数k=eq\f(Ff,Sv2).采纳国际单位制,式中Ff的单位为N,即kg·m/s2,S的单位为m2,速度的二次方的单位可写为(m/s)2.将这些单位代入上式得eq\f(kg·m/s2,m2·m2/s2)=eq\f(kg,m3),即比例系数k的单位为kg/m3.学科素养培优精品微课堂——思想方法系列十六量纲检验法开讲啦一个物理量可由几个基本物理量组成,它与基本物理量间的关系式为量纲式,由量纲式也就确定了这个物理量的单位.如速度的定义式

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