最新高中物理 模块复习课教案 沪科版选修31.docx
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最新高中物理模块复习课教案沪科版选修31
模块复习
[核心知识回顾]
一、电荷与电荷守恒定律
1.电荷:
自然界中存在着两种电荷,正电荷和负电荷.
2.电荷守恒定律
(1)内容:
电荷既不能创生,也不能消失,它只能从一个物体转移到另一个物体或从物体的这一部分转移到另一部分,在转移的过程中,电荷的总量保持不变.
(2)物体带电的实质:
得失电子.
二、库仑定律
1.内容:
真空中两个静止点电荷之间的相互作用力,与它们所带电荷量的乘积成正比,与它们的距离的平方成反比,作用力的方向在两点电荷的连线上.
2.公式:
F=k
,式中的k=9.0×109N·m2/C2,叫静电力常量.
3.适用条件:
点电荷;真空中.
三、电场、电场强度
1.电场:
电荷周围存在的一种物质,电场对放入其中的电荷有力的作用.静止电荷产生的电场称为静电场.
2.电场强度
(1)定义:
放入电场中某点的电荷受的电场力F与它的电荷量q的比值.
(2)公式:
E=
.
3.点电荷场强的计算式
(1)设在场源点电荷Q形成的电场中,有一点P与Q相距r,则P点的场强E=k
.
(2)适用条件:
真空中的点电荷形成的电场.
四、电场线
1.定义
电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线,曲线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向,电场线不是实际存在的线,而是为了描述电场而假想的线.
2.电场线的特点
(1)电场线从正电荷(或无限远处)出发,终止于无限远处(或负电荷).
(2)电场线在电场中不相交.
(3)在同一电场里,电场线越密的地方场强越大.
(4)匀强电场的电场线是均匀分布的等间距平行直线.
五、静电力做功的特点与电势能
1.静电力做功的特点
(1)在电场中移动电荷时电场力做功与路径无关,只与初末位置有关,可见静电力做功与重力做功相似.
(2)在匀强电场中,电场力做的功W=Eqd,其中d为沿电场线方向的距离.
2.电势能
(1)定义:
电荷在电场中具有的势能,等于静电力把它从该点移到零电势能位置时所做的功.
(2)静电力做功与电势能变化的关系
静电力做的功等于电势能的减少量,即WE=EpA-EpB.
(3)电势能的相对性:
电势能是相对的,通常把电荷在离场源电荷无限远处的电势能规定为零,或把电荷在大地表面的电势能规定为零.
六、电势和等势面
1.电势
(1)定义:
电荷在电场中某点具有的电势能Ep与电荷量q的比值.
(2)定义式:
φ=
.
2.等势面
(1)定义:
电场中电势相等的各点组成的面.
(2)特点:
a.等势面一定与电场线垂直,即跟场强的方向垂直.
b.在同一等势面上移动电荷时电场力不做功.
c.电场线总是从电势高的等势面指向电势低的等势面.
d.等差等势面越密的地方电场强度越大,反之越小.
七、电势差
1.定义式:
UAB=
.
2.电势差与电势的关系:
UAB=φA-φB.
3.匀强电场中电势差与电场强度的关系:
U=Ed.
八、电容器的电容
1.电容的定义式为C=
.在国际单位制中,电容的单位是法拉(F),常用单位有微法(μF)和皮法(pF).它们的换算关系是1F=106μF=1012pF.
2.电容器的电容仅由自身的几何结构(正对面积、间距等)和电介质特性决定,与它是否带电、带电多少、板间电势差的大小等无关.
3.平行板电容器的电容,跟相对介电常数ε成正比,跟正对面积S成正比,跟极板间距离d成反比,用公式表示为C=
.
九、带电粒子在匀强电场中的运动
1.带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场,受到的电场力与运动方向在同一条直线上,做匀加速或匀减速直线运动.
2.只有电场力做功,若带电粒子的初速度为零,则
mv2=qU,则v=
,若带电粒子的初速度不为零,则由动能定理可得:
mv2-
mv
=qU.
3.带电粒子以速度v垂直于电场线方向飞入匀强电场,受到恒定的与初速度方向垂直的电场力作用而做匀变速曲线运动.垂直于场强方向做匀速直线运动,平行于场强方向做初速度为零的匀加速直线运动.
十、电流
1.定义:
电荷的定向移动形成电流.
2.公式:
I=
.(注意:
如果是正、负离子同时向相反方向定向移动形成电流时q是两种离子电荷量绝对值之和)
3.方向:
规定和正电荷定向移动的方向相同,和负电荷定向移动的方向相反.
4.微观表达式:
I=nqSv,n是单位体积内的自由电荷数,q是每个电荷的电荷量,S是导体的横截面积,v是自由电荷定向移动的速率.
十一、电阻和电阻率
1.电阻反映了导体对电流的阻碍作用.
2.电阻的定义式:
R=
.
3.电阻定律:
对于同种材料的导体而言,导体的电阻与它的长度成正比,与它的横截面积成反比;数学表达式R=ρ
.
4.电阻率:
是反映导体导电性能的物理量,其特点是随着温度的改变而变化.金属的电阻率随温度升高而增大;半导体的电阻率随温度升高而减小.
十二、电功和电功率
1.电功和电功率:
电流做功的实质是电场力对电荷做功.电场力对电荷做功,电荷的电势能减小,电势能转化为其他形式的能.因此电功W=qU=UIt,这是计算电功普遍适用的公式.
2.电功率:
单位时间内电流做的功叫电功率,P=
=UI,这是计算电功率普遍适用的公式.
3.电热和焦耳定律:
电流通过电阻时产生的热量Q=I2Rt,这是普遍适用的电热计算公式.
十三、闭合电路欧姆定律
1.电源:
使导体两端存在持续电压,将其他形式的能转化为电能的装置.
2.电动势
(1)物理意义:
反映不同电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量.电动势大,说明电源把其他形式的能转化为电能的本领大;电动势小,说明电源把其他形式的能转化为电能的本领小.
(2)大小:
等于外电路断开时的路端电压,数值上也等于把1C的正电荷从电源负极移到正极时非静电力所做的功.
3.闭合电路欧姆定律
(1)内容:
闭合电路中的电流跟电源电动势成正比,跟内、外电路电阻之和成反比,这个结论叫作闭合电路欧姆定律.
(2)表达式:
I=
.
(3)适用范围:
外电路是纯电阻的电路.
4.路端电压U:
外电路两端的电压,即电源的输出电压U=E-Ir.
(1)当外电阻R增大时,I减小,内电压减小,路端电压增大.当外电路断开时,I=0,U=E.
(2)当外电阻减小时,I增大,内电压增大,路端电压减小.当电源两端短路时,外电阻R=0,I=
,U=0.
5.UI图像
如图1所示为UI图像,由U=E-Ir知,图线为一条直线,与纵轴交点为电源电动势,与横轴交点为短路电流,直线的斜率的绝对值等于电源内阻.
图1
6.闭合电路中的功率
(1)电源的总功率:
P总=IE=IU+IUr=P出+P内.
(2)电源内耗功率:
P内=I2r=P总-P出.
(3)电源的输出功率:
P出=IU=IE-I2r=P总-P内.
十四、磁场的性质安培力
1.磁场
(1)磁场的性质:
磁场对放入其中的磁体、电流或运动电荷有力的作用.
(2)磁场方向:
规定小磁针在磁场中N极受力的方向(或者小磁针在磁场中静止时N极的指向)为该位置处的磁场方向.
2.磁感线
(1)概念:
用来形象地描述磁场的一组假想的曲线,在这些曲线上,每一点的切线方向为该点的磁场方向,其疏密反映了磁场的强弱(磁感应强度的大小).
(2)特点:
在磁体外部,磁感线由N极到S极;在磁体内部,磁感线由S极到N极,磁感线是一组闭合曲线,在空间中互不相交.
3.电流的磁场、安培定则
(1)安培定则:
用右手握住导线,让伸直的大拇指所指的方向跟电流方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向.安培定则用来判断直线电流产生磁场的方向.同样,用安培定则可以判断环形电流、通电螺线管所产生的磁场方向.
(2)电流的磁场:
要熟练掌握直线电流的磁场、环形电流的磁场、螺线管电流的磁场.
4.磁感应强度
磁感应强度是描述磁场大小和方向的物理量,用“B”表示,是矢量.
(1)B的大小:
磁场中某点的磁感应强度的大小等于放置于该点并垂直于磁场方向的通电直导线所受磁场力F与通过该导线的电流和导线长度乘积IL的比值.
(2)B的方向:
磁场中该处的磁场方向.
(3)B的单位:
特斯拉.1T=1N/(A·m).
(4)匀强磁场:
磁感应强度的大小、方向处处相同的区域.在匀强磁场中,磁感线互相平行并等距.
十五、安培力
1.磁场对电流的作用力叫作安培力.一根长为L的直导线,当导线垂直于磁场放置,通过电流为I时,安培力的大小可以表示为F=BIL.当导线平行于磁场放置时安培力为零.
2.公式的适用条件:
一般只适用于匀强磁场.
3.安培力的方向:
用左手定则判定,总是跟磁场垂直,跟电流的方向垂直,即安培力总是垂直于导线和磁感线所在的平面.
十六、带电粒子在磁场中的运动
1.洛伦兹力
(1)定义:
洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力.
(2)大小:
f=qvB(此式只适用于电荷运动方向与磁场方向垂直的情况.若两方向成θ角,洛伦兹力大小为f=qvBsin_θ,当θ=0°时,f=0;当θ=90°时,f=qvB).
(3)方向:
由左手定则判定(注意正、负电荷的不同).f一定垂直于B与v所决定的平面,但B与v不一定垂直.
2.带电粒子在匀强磁场中的运动(不计其他力的作用)
(1)若带电粒子初速度方向与磁场方向共线,则做匀速直线运动.
(2)若带电粒子垂直进入匀强磁场,则做匀速圆周运动.
a.向心力由洛伦兹力提供:
Bqv=m
;
b.轨道半径R=
,周期T=
=
.
[易错易混辨析]
1.电荷发生中和时电荷并没有消失.(√)
2.QA=9Q与QB=-Q的A、B两个金属球接触后再分开,两球一定各带4Q的电荷.(×)
3.在真空中,点电荷的场强公式E=
中的Q是产生电场的场源电荷的电荷量,与试探电荷无关.(√)
4.带电粒子的运动轨迹一定与电场线重合.(×)
5.在点电荷产生的电场中,以点电荷为球心的同一球面上各点的电场强度都相同.(×)
6.电场力做功与重力做功相似,与路径无关.(√)
7.正电荷具有的电势能一定是正的,负电荷具有的电势能一定是负的.(×)
8.电场力做正功,电势能一定增加.(×)
9.电势是矢量,因为电势有正值和负值之分.(×)
10.电场中电场强度为零的地方电势一定为零.(×)
11.沿电场线方向电势越来越低,电场强度越来越小.(×)
12.某等势面上各点的场强方向均与此处等势面垂直.(√)
13.将平行板电容器两极板的间距加大,电容将增大.(×)
14.将平行板电容器两极板平行错开,使正对面积减小,电容将减小.(√)
15.在平行板电容器极板间插入电介质,电容将增大.(√)
16.电流I随时间t变化的图像与坐标轴所围面积表示通过导体横截面的电荷量.(√)
17.电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多.(×)
18.由R=ρ
可知,导体的电阻与导体的长度成正比,与导体的横截面积成反比.(√)
19.闭合电路中的短路电流无限大.(×)
20.电动势的单位跟电压的单位一致,所以电动势就是两极间的电压.(×)
21.在闭合电路中,外电阻越大,电源的输出功率越大.(×)
22.磁场中小磁针静止时S极的指向就是磁场的方向.(×)
23.不管何时,磁通量都等于磁感应强度与平面面积的乘积.(×)
24.通电导线只有垂直磁场放置时,才受到磁场给它的作用力.(×)
25.磁通量是矢量,其正、负表示磁通量的方向.(×)
26.带电粒子在磁场中运动时一定会受到洛伦兹力的作用.(×)
27.洛伦兹力的方向在特殊情况下可能与带电粒子的速度方向不垂直.(×)
28.洛沦兹力和安培力是性质完全不同的两种力.(×)
29.粒子在只受到洛伦兹力作用时动能不变.(√)
30.带电粒子只要速度大小相同,所受洛伦兹力就相同.(×)
【提示】
2.× 完全相同的金属球接触才能平分电荷量.
4.× 带电粒子轨迹不一定与电场线重合.
5.× 大小相同,方向不同.
7.× 正电荷电势能可能为负,负电荷电势能可能为正.
8.× 电场力做正功,电势能一定减小.
9.× 电势是标量.
10.× 电场强度为零的地方电势不一定为零.
11.× 沿电场线方向电场强度不一定减小.
13.× 极板间距加大,电容减小.
17.× 电功率大,电路中产生焦耳热不一定多.
19.× 电源有内阻,短路时电流不会是无穷大.
20.× 电动势和电压是两个不同的概念.
21.× 内、外电阻相等时输出功率最大.
22.× N极指向才是磁场的方向.
23.× 只有磁场方向与平面垂直时才有Φ=BS.
24.× 通电导线只要和磁场不平行就会受安培力.
25.× 磁通量不是矢量,其正、负不代表方向.
26.× 粒子速度方向与磁场方向不平行时才会受洛伦兹力.
27.× 洛伦兹力的方向和速度方向永远垂直.
28.× 两种力本质是相同的.
30.× 洛伦兹力的大小还与速度方向、电荷量及磁感应强度有关.
[高考真题感悟]
1.(多选)(2017·全国Ⅲ卷)一匀强电场的方向平行于xOy平面,平面内a、b、c三点的位置如图2所示,三点的电势分别为10V、17V、26V.下列说法正确的是( )
【导学号:
69682312】
图2
A.电场强度的大小为2.5V/cm
B.坐标原点处的电势为1V
C.电子在a点的电势能比在b点的低7eV
D.电子从b点运动到c点,电场力做功为9eV
ABD [如图所示,由匀强电场中两平行线距离相等的两点间电势差相等知,Oa间电势差与bc间电势差相等,故O点电势为1V,选项B正确;则在x轴上,每0.5cm长度对应电势差为1V,10V对应的等势线与x轴交点e坐标为(4.5,0),△aOe中,Oe∶Oa=4.5∶6=3∶4,由几何知识得:
Od长度为3.6cm,代入公式E=
得,E=2.5V/cm,选项A正确;电子带负电,电势越高,电势能越小,电子在a点的电势能比在b点的高7eV,选项C错误;电子从b点运动到c点,电场力做功W=eU=9eV,选项D正确.]
2.(多选)(2017·全国Ⅰ卷)在一静止点电荷的电场中,任一点的电势φ与该点到点电荷的距离r的关系如图3所示.电场中四个点a、b、c和d的电场强度大小分别为Ea、Eb、Ec和Ed.点a到点电荷的距离ra与点a的电势φa已在图中用坐标(ra,φa)标出,其余类推.现将一带正电的试探电荷由a点依次经b、c点移动到d点,在相邻两点间移动的过程中,电场力所做的功分别为Wab、Wbc和Wcd.下列选项正确的是( )
图3
A.Ea∶Eb=4∶1 B.Ec∶Ed=2∶1
C.Wab∶Wbc=3∶1D.Wbc∶Wcd=1∶3
AC [A对:
由题图知,a、b、c、d四个点距点电荷的距离依次增大,且rb=2ra,由E=
知,Ea∶Eb=4∶1.
B错:
rd=2rc,由E=
知,Ec∶Ed=4∶1.
C对:
在移动电荷的过程中,电场力做的功与电势能的变化量大小相等,则Wab∶Wbc=q(φa-φb)∶q(φb-φc)=3∶1.
D错:
Wbc∶Wcd=q(φb-φc)∶q(φc-φd)=1∶1.]
3.(多选)(2017·全国Ⅰ卷)如图4,三根相互平行的固定长直导线L1、L2和L3两两等距,均通有电流I,L1中电流方向与L2中的相同,与L3中的相反.下列说法正确的是( )
图4
A.L1所受磁场作用力的方向与L2、L3所在平面垂直
B.L3所受磁场作用力的方向与L1、L2所在平面垂直
C.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为1∶1∶
D.L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为
∶
∶1
BC [如图,由磁场的叠加知,L2与L3中的电流在L1处产生的合磁场的方向在L2、L3连线的中垂线上,由左手定则知,L1所受磁场作用力的方向与L2、L3所在平面平行.选项A错误.
L1与L2中的电流在L3处产生的合磁场的方向与L1、L2的连线平行,由左手定则知,L3所受磁场作用力的方向与L1、L2所在平面垂直.选项B正确.
由几何关系知,设电流在另外导线处产生磁场的磁感应强度为B,而L1、L2所在处两个磁场方向的夹角均为120°,则B合=B,而L3所在处两个磁场方向的夹角为60°,则B′合=
B,由F=ILB知,L1、L2和L3单位长度所受的磁场作用力大小之比为1∶1∶
.选项C正确,选项D错误.]
4.(2017·全国Ⅱ卷)如图5,虚线所示的圆形区域内存在一垂直于纸面的匀强磁场,P为磁场边界上的一点.大量相同的带电粒子以相同的速率经过P点,在纸面内沿不同方向射入磁场.若粒子射入速率为v1,这些粒子在磁场边界的出射点分布在六分之一圆周上;若粒子射入速率为v2,相应的出射点分布在三分之一圆周上.不计重力及带电粒子之间的相互作用.则v2∶v1为( )
【导学号:
69682313】
图5
A.
∶2B.
∶1
C.
∶1D.3∶
C [相同的带电粒子垂直匀强磁场入射均做匀速圆周运动.
粒子以v1入射,一端为入射点P,对应圆心角为60°(对应六分之一圆周)的弦PP′必为垂直该弦入射粒子运动轨迹的直径2r1,如图甲所示,设圆形区域的半径为R,由几何关系知r1=
R.其他不同方向以v1入射的粒子的出射点在PP′对应的圆弧内.
同理可知,粒子以v2入射及出射情况,如图乙所示.由几何关系知r2=
=
R,
可得r2∶r1=
∶1.
因为m、q、B均相同,由公式r=
可得v∝r,
所以v2∶v1=
∶1.故选C.]
5.(2017·全国Ⅰ卷)如图6,空间某区域存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向上(与纸面平行),磁场方向垂直于纸面向里.三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等,质量分别为ma、mb、mc.已知在该区域内,a在纸面内做匀速圆周运动,b在纸面内向右做匀速直线运动,c在纸面内向左做匀速直线运动.下列选项正确的是( )
【导学号:
69682314】
图6
A.ma>mb>mcB.mb>ma>mc
C.mc>ma>mbD.mc>mb>ma
B [设三个微粒的电荷量均为q,
a在纸面内做匀速圆周运动,说明洛伦兹力提供向心力,重力与电场力平衡,即
mag=qE①
b在纸面内向右做匀速直线运动,三力平衡,则
mbg=qE+qvB②
c在纸面内向左做匀速直线运动,三力平衡,则mcg+qvB=qE③
比较①②③式得:
mb>ma>mc,选项B正确.]
6.(2017·全国Ⅱ卷)某同学利用如图7所示的电路测量一微安表(量程为100μA,内阻大约为2500Ω)的内阻.可使用的器材有:
两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20Ω,另一个阻值为2000Ω);电阻箱Rz(最大阻值为99999.9Ω);电源E(电动势约为1.5V);单刀开关S1和S2.C、D分别为两个滑动变阻器的滑片.
图7
(1)按原理图7将图8中的实物连线.
图8
(2)完成下列填空:
①R1的阻值为________Ω(填“20”或“2000”).
②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图(a)中滑动变阻器的________端(填“左”或“右”)对应的位置;将R2的滑片D置于中间位置附近.
③将电阻箱Rz的阻值置于2500.0Ω,接通S1.将R1的滑片置于适当位置,再反复调节R2的滑片D的位置.最终使得接通S2前后,微安表的示数保持不变,这说明S2接通前B与D所在位置的电势________(填“相等”或“不相等”).
④将电阻箱RZ和微安表位置对调,其他条件保持不变,发现将RZ的阻值置于2601.0Ω时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变.待测微安表的内阻为________Ω(结果保留到个位).
(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议:
________.
【解析】
(1)根据原理图,实物连线如图所示.
(2)①滑动变阻器R1在实验中为控制电路,且为分压接法,应选总阻值小的滑动变阻器,故R1的阻值为20Ω.
②为了保护微安表,S1闭合时,微安表上的电压为零,故开始时应将R1的滑片C滑到滑动变阻器的左端.
③接通S2前后,微安表的示数保持不变,说明S2闭合后,没有电流流过S2,故B、D两点的电势相等.
④实验过程中,由于测量电路,即由Rz、
、R2组成的电路的阻值很大,可认为测量电路两端的电压不变,故
与Rz互换后通过R2、Rz和
的电流不变,电路如图所示.
甲 乙
由于B、D两点的电势相等,对于图甲,I1RμA=I2R′
I1Rz1=I2R,即
=
对于图乙,I1Rz2=I2R′
I1RμA=I2R,即
=
所以
=
所以RμA=
=
Ω=2550Ω.
(3)提高测微安表内阻的精度,可减小系统误差,如调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程.
【答案】
(1)见解析图
(2)①20 ②左 ③相等 ④2550
(3)调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程
7.(2017·全国Ⅰ卷)某同学研究小灯泡的伏安特性.所使用的器材有:
小灯泡L(额定电压3.8V,额定电流0.32A);电压表
(量程3V,内阻3kΩ);电流表
(量程0.5A,内阻0.5Ω);固定电阻R0(阻值1000Ω);滑动变阻器R(阻值0~9.0Ω);电源E(电动势5V,内阻不计);开关S;导线若干.
(1)实验要求能够实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,画出实验电路原理图.
(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图9所示.
图9 图10
由实验曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻__________(填“增大”“不变”或“减小”),灯丝的电阻率__________(填“增大”“不变”或“减小”).
(3)用另一电源E0(电动势4V,内阻1.00Ω)和题给器材连接成图10所示的电路,调节滑动变阻器R的阻值,可以改变小灯泡的实际功率.闭合开关S,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为__________W,最大功率为__________W.(结果均保留2位小数)
【解析】
(1)小灯泡的电压要求从0开始调节,滑动变阻器采用分压式接法,小灯泡的额定电压超出电压表的量程,需与R0串联后接入电路.电路图如图所示.
(2)IU图像中随着电流的增大,图线的斜率变小,小灯泡的电阻增大.根据电阻定律R=ρ
,得灯丝的电阻率增大.
(3)当R=0时,电源路端电压与电流的关系图像如图线甲所示.此时小灯泡功率有最大值.
当R=9Ω时,将R看作电源内阻,则等效电源内阻为10Ω,其路端电压与电流的关系图像如图线乙所示.此时小灯泡功率有最小值.
取图线甲与小灯泡伏安特性曲线交点:
U1=3.66V,I1=0.319A,
小灯泡的最大功率P1=U1I1≈1.17W.
取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点:
U2=1.77V,I2=0.222A,
小灯泡的最小功率P2=U2I2≈0.39W.
【答案】
(1)见解析
(2)增大 增大 (3)0.39 1.17
8.(2017·全国Ⅱ卷)如图11,两水平面(虚线)之间的距离为H,其间的区域存在方向水平向右的匀强电场.自该区域上方的A点将质量均为m、电荷量分别为q和-q(q>0)的带电小球M、N先后以相同的初速度沿平行于电场的方向射出.小球在重力作用下进入电场区域,并从该区域的下边界离开.已知N离开电场时的速度方向竖直向下;M在电场中做直线运动,刚离开电场时的动能为N刚离开电场时动能的1.5倍.不计空气阻
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