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34各章合并打印教案
目录
第十一章机械振动2
简谐运动2
2、简谐运动的描述6
3、简谐运动的回复力和能量13
4、单摆18
5、外力作用下的振动24
第十二章机械波29
1、波的形成和传播29
2、波的图象33
3、波长、频率和波速36
4、波的衍射和干涉(1课时)43
4、波的衍射和干涉(2课时)47
5、多普勒效应51
6、惠更斯原理54
第十三章光60
1、光的反射和折射60
2、全反射66
3、光的干涉72
4、实验:
用双缝干涉测量光的波长79
5、光的衍射83
6、光的偏振89
7、光的颜色色散93
8、激光99
第十四章电磁波104
14.1电磁波的发现104
2、电磁振荡109
3、电磁波的发射和接收113
4、电磁波与信息化社会119
5、电磁波谱123
第十五章相对论简介126
1、相对论的诞生126
2、时间和空间的相对性130
3、狭义相对论的其他结论137
4、广义相对论简介140
第十一章机械振动
简谐运动
课标要求
(一)知识与技能
1、知道什么是弹簧振子,理解振动的平衡位置和位移。
2、知道弹簧振子的位移-时间图象,知道简谐运动及其图象。
(二)过程与方法
通过对简谐运动图象的绘制,认识简谐运动的特点。
(三)情感、态度与价值观
1、通过对简谐运动图象的绘制,培养认真、严谨、实事求是的科学态度。
2、从图像中了解简谐运动的规律,培养分析问题的能力及审美能力(逐步认识客观存在的简洁美、对称美等)。
教学重点
理解简谐运动的位移-时间图象。
教学难点
根据简谐运动的图象弄清各时刻质点的位移、路程及运动方向。
教学方法
实验演示、讨论与归纳、推导与列表对比、多媒体模拟展示
教学用具:
一端固定的钢尺、单摆、音叉、小槌、水平弹簧振子、竖直弹簧振子、CAI课件
教学过程
(一)引入新课
在自然界中有一种很常见的运动,如微风中树枝的颤动、心脏的跳动、钟摆的摆动、水中浮标的上下浮动、担物行走时扁担的颤动、声带的振动、地震时大地的剧烈振动……,这些物体的运动称之为机械振动,简称振动。
振动是自然界中普遍存在的一种运动形式。
(演示振动实例,建立振动的概念,归纳振动的特点)
演示:
一端固定的钢尺、单摆、水平和竖直的弹簧振子、穿在橡皮绳上的塑料球、音叉的叉股等物体的振动。
问题:
这些物体的运动各不相同,运动轨迹有的是直线,有的是曲线;运动方向有的在水平方向,有的在竖直方向;物体各部分的运动情况有的相同、有的不同……,那么它们的运动有什么共同特征呢?
归纳:
物体振动时有一中心位置,物体(或物体的一部分)在中心位置两侧做往复运动。
物体振动时有一个中心位置,如琴弦振动的中心位置就是琴弦静止时或未开始振动时的位置。
这个位置称为平衡位置。
(1)平衡位置:
物体振动时的中心位置,振动物体未开始振动时相对于参考系静止的位置。
(2)机械振动:
物体在平衡位置附近所做的往复运动,叫做机械振动,通常简称为振动。
(3)振动特点:
振动是一种往复运动,具有周期性和往复性。
(用多媒体展示振动的几个实例,在多媒体展示过程中强化“平衡位置”和“往复运动”)
教师:
振动是一种新的运动形式。
我们研究问题的方法都是由浅入深、由简到繁的。
简谐运动是机械振动中最简单的运动形式,所以我们下面先来研究简谐运动。
(二)进行新课
1.弹簧振子
演示:
水平放置的弹簧振子的振动。
观察、分析、讨论:
①小球原来静止的位置就是平衡位置。
小球在平衡位置附近所做的往复运动,是一种机械振动。
②小球的运动是平动,可以看作质点。
③忽略小球与水平杆之间的摩擦,弹簧的质量与小球质量相比也忽略不计,将小球拉离平衡位置后由静止释放,小球能够自由滑动。
这样的系统称为弹簧振子。
演示:
竖直方向上弹簧振子的振动。
(引导学生观察、体会弹簧振子的“平衡位置”和“往复运动”,增强感性认识。
)
说明:
在中学阶段只研究在没有阻力的理想条件下弹簧振子的运动。
小球称为振子。
弹簧振子是一个理想化的模型,它忽略了一些次要的因素。
2.弹簧振子的位移-时间图象
教师:
要进一步研究弹簧振子的运动规律,我们首先来研究振子的位移如何变化。
说明:
以小球的平衡位置为坐标原点,沿运动方向建立坐标轴。
规定小球在平衡位置右边时,位移为正,在平衡位置左边时,位移为负。
教师:
用频闪照相的方法来显示振子在不同时刻的位置。
[投影]如图11.1-2。
思考:
如何理解这就是振子的位移时间图象,即x-t图象。
学生:
思考、讨论。
发表见解。
因为摄像底片从下向上匀速运动,底片运动的距离与时间成正比。
因此,可用底片运动的距离代表时间轴。
振子的频闪照片反映了不同时刻,振子离开平衡位置的位移。
也就是位移随时间变化的规律。
教师:
板画,如图所示。
引导学生观察振子从A→O→A'→O→A的一个循环,这一循环可分为四个阶段:
A→O、O→A'、A'→O、O→A,分析在这四个阶段中振子位移的变化,并将定性分析的结论填入表格中。
由A到O运动过程中,位移方向由O→A,随着振子不断地向O靠近,位移越来越小。
振子的运动
A→O
O→A′
A′→O
O→A
对O点位移的方向怎样?
大小如何变化?
向右
减小
向左
增大
向左
减小
向右
增大
总结:
振动物体的位移与运动学中的位移含义不同,振子的位移总是相对于平衡位置而言的,即初位置是平衡位置,末位置是振子所在的位置。
因而振子对平衡位置的位移方向始终背离平衡位置。
3.简谐运动及其图象
教师:
观察弹簧振子的位移-时间图象,可以发现该图象像数学中学过的何种图象?
学生:
正弦图线。
教师:
精确的实验和理论研究表明,弹簧振子的位移随时间按正弦规律变化。
像这样,质点的位移随时间按正弦规律变化的振动,叫做简谐运动。
简谐运动的位移-时间图象为正弦曲线。
简谐运动是机械振动中最简单、最基本的的振动。
弹簧振子的运动就是简谐运动。
教师:
怎样来记录振动的图象呢?
演示:
在弹簧振子的小球上安装一只绘图笔,让一条纸带在与小球振动方向垂直的方向上匀速运动,笔在纸带上画出的就是小球的振动图象。
教师:
介绍这种方法在实际中的重要应用。
如医院里的心电图仪、地震仪中绘制地震曲线的装置等,都用类似的方法记录振动情况。
如图所示。
(三)课堂总结、点评
物体在平衡位置附近所做的往复运动,叫做机械振动。
弹簧振子是我们学习的又一个理想化的物理模型。
忽略小球与水平杆之间的摩擦,弹簧的质量与小球质量相比也忽略不计,这样的系统称为弹簧振子。
弹簧振子的位移随时间按正弦规律变化,其位移-时间图象是一条正弦曲线。
这样的振动叫做简谐运动。
简谐运动是机械振动中最简单、最基本的的振动。
课余作业
完成P5“问题与练习”的题目。
教学体会
2、简谐运动的描述
课标要求
(一)知识与技能
1、知道振幅、周期和频率的概念,知道全振动的含义。
2、了解初相和相位差的概念,理解相位的物理意义。
3、了解简谐运动位移方程中各量的物理意义,能依据振动方程描绘振动图象。
(二)过程与方法
1、在学习振幅、周期和频率的过程中,培养学生的观察能力和解决实际问题的能力。
2、学会从相位的角度分析和比较两个简谐运动。
(三)情感、态度与价值观
1、每种运动都要选取能反映其本身特点的物理量来描述,使学生知道不同性质的运动包含各自不同的特殊矛盾。
2、通过对两个简谐运动的超前和滞后的比较,学会用相对的方法来分析问题。
教学重点
简谐运动的振幅、周期和频率的概念;相位的物理意义。
教学难点
1、振幅和位移的联系和区别、周期和频率的联系和区别。
2、对全振动概念的理解,对振动的快慢和振动物体运动的快慢的理解。
3、相位的物理意义。
教学方法
分析类比法、讲解法、实验探索法、多媒体教学。
教学用具:
CAI课件、劲度系数不同的弹簧、质量不同的小球、秒表、铁架台、音叉、橡皮槌;两个相同的单摆、投影片。
教学过程
(一)引入新课
教师:
描述匀速直线运动的物理量有位移、时间和速度;描述匀变速直线运动的物理量有时间、速度和加速度;描述匀速圆周运动的物体时,引入了周期、频率、角速度等能反映其本身特点的物理量。
上节课我们学习了简谐运动,简谐运动也是一种往复性的运动,所以研究简谐运动时我们也有必要像匀速圆周运动一样引入周期、频率等能反映其本身特点的物理量。
本节课我们就来学习描述简谐运动的几个物理量。
(二)进行新课
1.振幅
如果我们要乘车,我想大家都愿意坐小汽车,而不坐拖拉机,因为拖拉机比小汽车颠簸得厉害。
演示:
在铁架台上悬挂一竖直方向的弹簧振子,分别把振子从平衡位置向下拉不同的距离,让振子振动。
现象:
①两种情况下,弹簧振子振动的范围大小不同;②振子振动的强弱不同。
在物理学中,我们用振幅来描述物体的振动强弱。
(1)物理意义:
振幅是描述振动强弱的物理量。
将音叉的下部与讲桌接触,用橡皮槌敲打音叉,一次轻敲,一次重敲,听它发出的声音的强弱,比较后,加深对振幅的理解。
(2)定义:
振动物体离开平衡位置的最大距离,叫做振动的振幅。
(3)单位:
在国际单位制中,振幅的单位是米(m)。
(4)振幅和位移的区别
①振幅是指振动物体离开平衡位置的最大距离;而位移是振动物体所在位置与平衡位置之间的距离。
②对于一个给定的振动,振子的位移是时刻变化的,但振幅是不变的。
③位移是矢量,振幅是标量。
④振幅等于最大位移的数值。
2、周期和频率
(1)全振动
(用多媒体展示一次全振动的四个阶段)
从O点开始,一次全振动的完整过程为:
O→A→O→A′→O。
从A点开始,一次全振动的完整过程为:
A→O→A′→O→A。
从A'点开始,一次全振动的完整过程为:
A′→O→A→O→A′。
在判断是否为一次全振动时不仅要看是否回到了原位置,而且到达该位置的振动状态(速度)也必须相同,才能说完成了一次全振动。
只有物体振动状态再次恢复到与起始时刻完全相同时,物体才完成一次全振动。
振动物体以相同的速度相继通过同一位置所经历的过程,也就是连续的两次位置和振动状态都相同时所经历的过程,叫做一次全振动。
一次全振动是简谐运动的最小运动单元,振子的运动过程就是这一单元运动的不断重复。
(2)周期和频率
演示:
在两个劲度系数不同的弹簧下挂两个质量相同的小球,让这两个弹簧振子以相同的振幅振动,观察到振子振动的快慢不同。
为了描述简谐运动的快慢,引入了周期和频率。
①周期:
做简谐运动的物体完成一次全振动所需的时间,叫做振动的周期,单位:
s。
②频率:
单位时间内完成的全振动的次数,叫频率,单位:
Hz,1Hz=1s-1。
③周期和频率之间的关系:
T=
④研究弹簧振子的周期
问题:
猜想弹簧振子的振动周期可能由哪些因素决定?
演示:
两个不同的弹簧振子(弹簧不同,振子小球质量也不同),学生观察到:
两个弹簧振子的振动不同步,说明它们的周期不相等。
猜想:
影响弹簧振子周期的因素可能有:
振幅、振子的质量、弹簧的劲度系数。
注意事项:
a.介绍秒表的正确读数及使用方法。
b.应选择振子经过平衡位置的时刻作为开始计时的时刻。
c.振动周期的求解方法:
T=
,t表示发生n次全振动所用的总时间。
d.给学生发秒表,全班同学同时测讲台上演示的弹簧振子的振动周期。
实验验证:
弹簧一端固定,另一端系着小球,让小球在竖直方向上振动。
实验一:
用同一弹簧振子,质量不变,振幅较小与较大时,测出振动的周期T1和T1′,并进行比较。
结论:
弹簧振子的振动周期与振幅大小无关。
实验二:
用同一弹簧,拴上质量较小和较大的小球,在振幅相同时,分别测出振动的周期T2和T2′,并进行比较。
结论:
弹簧振子的振动周期与振子的质量有关,质量较小时,周期较小。
实验三:
保持小球的质量和振幅不变,换用劲度系数不同的弹簧,测出振动的周期T3和T3′,并进行比较。
结论:
弹簧振子的振动周期与弹簧的劲度系数有关,劲度系数较大时,周期较小。
通过上述实验,我们得到:
弹簧振子的周期由振动系统本身的质量和劲度系数决定,而与振幅无关。
(简谐运动的周期公式T=2π
,式中m为振子的质量,k为比例常数)
⑤固有周期和固有频率
对一个确定的振动系统,振动的周期和频率只与振动系统本身有关,所以把周期和频率叫做固有周期和固有频率。
3.相位
(观察和比较两个摆长相等的单摆做简谐运动的情形)
演示:
将并列悬挂的两个等长的单摆(它们的振动周期和频率相同),向同一侧拉起相同的很小的偏角同时释放,让它们做简谐运动。
现象:
两个简谐运动在同一方向同时达到位移的最大值,也同时同方向经过平衡位置,两者振动的步调一致。
对于同时释放的这两个等长单摆,我们说它们的相位相同。
演示:
将两个单摆拉向同一侧拉起相同的很小的偏角,但不同时释放,先把第一个放开,当它运动到平衡位置时再放开第二个,让两者相差1/4周期,让它们做简谐运动。
现象:
两者振动的步调不再一致了,当第一个到达另一侧的最高点时,第二个小球又回到平衡位置,而当第二个摆球到达另一方的最高点时,第一个小球又已经返回平衡位置了。
与第一个相比,第二个总是滞后1/4周期,或者说总是滞后1/4全振动。
对于不同时释放的这两个等长单摆,我们说它们的相位不相同。
要详尽地描述简谐运动,只有周期(或频率)和振幅是不够的,在物理学中我们用不同的相位来描述简谐运动在一个全振动中所处的不同阶段。
相位是表示物体振动步调的物理量,用相位来描述简谐运动在一个全振动中所处的阶段。
4.简谐运动的表达式
(1)简谐运动的振动方程
既然简谐运动的位移和时间的关系可以用正弦曲线或余弦曲线来表示,那么若以x代表质点对于平衡位置的位移,t代表时间,根据三角函数知识,x和t的函数关系可以写成
x=Asin(ωt+
)
公式中的A代表振动的振幅,ω叫做圆频率,它与频率f之间的关系为:
ω=2πf;公式中的(ωt+
)表示简谐运动的相位,t=0时的相位
叫做初相位,简称初相。
(2)两个同频率简谐运动的相位差
设两个简谐运动的频率相同,则据ω=2πf,得到它们的圆频率相同,设它们的初相分别为
1和
2,它们的相位差就是
(ωt+
2)-(ωt+
)=
2-
1
讨论:
①一个物体运动时其相位变化多少就意味着完成了一次全振动?
(相位每增加2π就意味着发生了一次全振动)
②甲和乙两个简谐运动的相位差为3π/2,意味着什么?
(甲和乙两个简谐运动的相位差为3π/2,意味着乙总是比甲滞后3/2个周期或3/2次全振动)
(3)相位的应用
【例题1】两个简谐振动分别为
x1=4asin(4πbt+
π)
和x2=2asin(4πbt+
π)
求它们的振幅之比、各自的频率,以及它们的相位差。
解析:
据x=Asin(ωt+
)得到:
A1=4a,A2=2a。
又ω=4πb及ω=2πf得:
f=2b
它们的相位差是:
【例题2】如图所示是A、B两个弹簧振子的振动图象,求它们的相位差。
解析:
这两个振动的周期相同,所以它们有确定的相位差,从图中可以看出,B的振动比A滞后1/4周期,所以两者的相位差是
Δ
=
巩固练习:
某简谐运动的位移与时间关系为:
x=0.1sin(100πt+
)cm,由此可知该振动的振幅是______cm,频率是Hz,t=0时刻振动物体的位移与规定正方向______(填“相同”或“相反”),t=
时刻振动物体的位移与规定正方向______(填“相同”或“相反”)。
(参考答案:
0.1;50;相同;相反)
(三)课堂总结、点评
本节课学习了描述振动的物理量——振幅、周期、频率和相位。
当振动物体以相同的速度相继通过同一位置所经历的过程就是一次全振动,一次全振动是简谐运动的最小运动单元,振子的运动过程就是这一单元运动的不断重复。
振幅是描述振动强弱的物理量;周期和频率都是用来表示振动快慢的物理量。
相位是表示振动步调的物理量,用来描述在一个周期内振动物体所处的不同运动状态。
用三角函数式来表示简谐运动,其表达式为:
x=Asin(ωt+
),其中x代表质点对于平衡位置的位移,t代表时间,ω叫做圆频率,ωt+
表示简谐运动的相位。
两个具有相同圆频率ω的简谐运动,它们的相位差是:
(ωt+
2)-(ωt+
)=
2-
1
课余作业
完成P11“问题与练习”的题目。
阅读P10科学漫步中的短文。
3、简谐运动的回复力和能量
课标要求
(一)知识与技能
1、理解简谐运动的运动规律,掌握在一次全振动过程中位移、回复力、加速度、速度变化的规律。
2、掌握简谐运动回复力的特征。
3、对水平的弹簧振子,能定量地说明弹性势能与动能的转化。
(二)过程与方法
1、通过对弹簧振子所做简谐运动的分析,得到有关简谐运动的一般规律性的结论,使学生知道从个别到一般的思维方法。
2、分析弹簧振子振动过程中能量的转化情况,提高学生分析和解决问题的能力。
(三)情感、态度与价值观
1、通过物体做简谐运动时的回复力和惯性之间关系的教学,使学生认识到回复力和惯性是矛盾的两个对立面,正是这一对立面能够使物体做简谐运动。
2、简谐运动过程中能量的相互转化情况,对学生进行物质世界遵循对立统一规律观点的渗透。
教学重点
1、简谐运动的回复力特征及相关物理量的变化规律。
2、对简谐运动中能量转化和守恒的具体分析。
教学难点
1、物体做简谐运动过程中位移、回复力、加速度、速度等变化规律的分析总结。
2、关于简谐运动中能量的转化。
教学方法
实验演示、讨论与归纳、推导与列表对比、多媒体模拟展示
教学用具:
CAI课件、水平弹簧振子
教学过程
(一)引入新课
教师:
前面两节课我们从运动学的角度研究了简谐运动的规律,不涉及它所受的力。
我们已知道:
物体静止或匀速直线运动,所受合力为零;物体匀变速直线运动,所受合力为大小和方向都不变的恒力;物体匀速圆周运动,所受合力大小不变,方向总指向圆心。
那么物体简谐运动时,所受合力有何特点呢?
这节课我们就来学习简谐运动的动力学特征。
(二)进行新课
1.简谐运动的回复力
(1)振动形成的原因(以水平弹簧振子为例)
问题:
(如图所示)当把振子从它静止的位置O拉开一小段距离到A再放开后,它为什么会在A-O-A'之间振动呢?
分析:
物体做机械振动时,一定受到指向中心位置的力,这个力的作用总能使物体回到中心位置,这个力叫回复力。
回复力是根据力的效果命名的,对于水平方向的弹簧振子,它是弹力。
①回复力:
振动物体受到的总能使振动物体回到平衡位置,且始终指向平衡位置的力,叫回复力。
回复力是根据力的作用效果命名的,不是什么新的性质的力,可以是重力、弹力或摩擦力,或几个力的合力,或某个力的分力等。
振动物体的平衡位置也可说成是振动物体振动时受到的回复力为零的位置。
②形成原因:
振子离开平衡位置后,回复力的作用使振子回到平衡位置,振子的惯性使振子离开平衡位置。
(2)简谐运动的力学特征
问题:
弹簧振子振动时,回复力与位移是什么关系?
分析:
由振动过程的分析可知,振子的位移总是相对于平衡位置而言的,即初位置是平衡位置,位移可以用振子的位置坐标x来表示,方向始终从平衡位置指向外侧。
回复力的方向始终指向平衡位置,因而回复力的方向与振子的位移方向始终相反。
对水平方向的弹簧振子来说,回复力就是弹簧的弹力。
在弹簧发生弹性形变时,弹簧振子的回复力F跟振子偏离平衡位置的位移x成正比,即
F=-kx
式中F为回复力,x为偏离平衡位置的位移,k是劲度系数,负号表示回复力与位移的方向总相反。
理论研究表明,如果质点所受的力与它偏离平衡位置的位移大小成正比,并且总指向平衡位置,质点的运动就是简谐运动。
做简谐运动的质点,回复力总满足F=-kx的形式。
式中k是比例常数。
这就是简谐运动的动力学特征。
2.简谐运动的能量
振动具有周期性和重复性,在振动过程中,相关物理量的变化情况分析,只需分析一个循环即可。
(用CAI课件模拟弹簧振子的振动,分别显示分析x、F、a、v、Ek、Ep、E的变化情况)
观察振子从A→O→A'→O→A的一个循环,这一循环可分为四个阶段:
A→O、O→A'、A'→O、O→A,分析在这四个阶段中上述各物理量的变化,并将定性分析的结论填入表格中。
分析:
弹簧振子由A→O的变化情况
分步讨论弹簧振子在从A→O运动过程中的位移、回复力、加速度、速度、动能、势能和总能量的变化规律。
①从A到O运动中,位移的方向如何?
大小如何变化?
由A到O运动过程中,位移方向由O→A,随着振子不断地向O靠近,位移越来越小。
②从A到O运动过程中,小球所受的回复力有什么特点?
小球共受三个力:
弹簧的拉力、杆的支持力和小球的重力,而重力和支持力已相互平衡,所以回复力由弹簧弹力提供。
所以从A→O过程中,据胡克定律得到:
物体所受的合力变小,方向指向平衡位置。
③从A到O运动过程中,振子的加速度方向如何?
大小如何变?
据牛顿第二定律得,小球从A到O运动过程中,加速度变小,方向指向平衡位置。
④从A→O过程中,速度方向如何?
大小如何变化?
因为物体的速度方向与运动方向一致,从A到O运动过程中,速度方向是从A→O。
随着振子不断地向O靠近,弹簧势能转化为动能,所以小球的速度越来越大。
⑤从A→O过程中,动量方向如何?
大小如何变化?
动量方向与速度的方向相同,大小与速度大小成正比,因此从A到O运动过程中,动量方向是从A→O。
大小变化是越来越大。
⑥从A→O过程中,动能大小如何变化?
动能是标量,从A→O,大小变化是越来越大。
⑦从A→O过程中,势能大小如何变化?
势能是标量,从A→O,大小变化是越来越小。
⑧从A→O过程中,总能量大小如何变化?
因不考虑各种阻力,因而振动系统的总能量守恒。
(让学生讨论分析振子从O→A′,从A′→O,从O→A的运动情况,要求学生填写表格,并检查所填内容是否正确)
振子的运动
A→O
O→A′
A′→O
O→A
对O点位移的方向怎样?
大小如何变化?
向右
减小
向左
增大
向左
减小
向右
增大
回复力的方向怎样?
大小如何变化?
向左
减小
向右
增大
向右
减小
向左
增大
加速度的方向怎样?
大小如何变化?
向左
减小
向右
增大
向右
减小
向左
增大
速度的方向怎样?
大小如何变化?
向左
增大
向左
减小
向右
增大
向右
减小
振子的动能
增大
减小
增大
减小
弹簧的势能
减小
增大
减小
增大
系统总能量
不变
不变
不变
不变
总结:
回复力的方向始终指向平衡位置,加速度的方向与回复力的方向相同,也始终指向平衡位置。
回复力与加速度的方向总是与位移方向相反。
速度方向与位移方向有时一致,有时相反;速度方向与回复力、加速度的方向也是有时一致,有时相反。
因而速度的方向与其它各物理量的方向间没有必然联系。
在四个阶段中,x、F、a、v、Ek、Ep、E的大小变化可分为两组,x、F、a、Ep为一组,v、Ek为另一组,每组中各量的变化步调一致,两组间的变化步调相反。
整个过程中总能量保持不变。
当物体向着平衡位置运动时,a、v同向,振子做变加速运动,此时
x↓F↓a↓Ep↓v↑Ek↑
当物体远离平衡位置运动时,a、v反向,振子做变减速运动,此时
x↑F↑
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