2018-2019學年高中物理 第四章 電磁感應 第1節(jié) 劃時代的發(fā)現(xiàn) 第2節(jié) 探究感應電流的產(chǎn)生條件學案 新人教版選修3-2.doc
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第1節(jié) 劃時代的發(fā)現(xiàn) 第2節(jié) 探究感應電流的產(chǎn)生條件 1.知道奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應、法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象. 2.知道磁通量和磁通量變化量的含義. 3.知道感應電流的產(chǎn)生條件,并能解決實際問題. 一、電磁感應的探索歷程 1.“電生磁”的發(fā)現(xiàn):1820年,丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應. 2.“磁生電”的發(fā)現(xiàn):1831年,英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象. 3.法拉第的概括:法拉第把引起感應電流的原因概括為五類:變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體. 4.電磁感應:法拉第把他發(fā)現(xiàn)的磁生電的現(xiàn)象叫做電磁感應,產(chǎn)生的電流叫感應電流. 二、探究感應電流的產(chǎn)生條件 甲 乙 1.探究導體棒在磁場中運動是否產(chǎn)生電流(如圖甲所示) 實驗操作 實驗現(xiàn)象 (有無電流) 分析論證 導體棒靜止 無 閉合電路包圍的磁場面積變化時,電路中有感應電流產(chǎn)生;包圍的磁場面積不變時,電路中無感應電流產(chǎn)生 導體棒平行 磁感線運動 無 導體棒切割 磁感線運動 有 2.探究磁鐵在通電螺線管中運動是否產(chǎn)生電流(如圖乙所示) 實驗操作 實驗現(xiàn)象 (有無電流) 分析論證 N極插入線圈 有 線圈中的磁場變化時,線圈中有感應電流產(chǎn)生;線圈中的磁場不變時,線圈中無感應電流產(chǎn)生 N極停在線圈中 無 N極從線圈中抽出 有 S極插入線圈 有 S極停在線圈中 無 S極從線圈中抽出 有 3.模仿法拉第的實驗(如圖丙所示) 丙 實驗操作 實驗現(xiàn)象 (線圈B中 有無電流) 分析論證 開關(guān)閉合瞬間 有 線圈B中磁場變化時,線圈B中有感應電流產(chǎn)生;磁場不變時,線圈B中無感應電流產(chǎn)生 開關(guān)斷開瞬間 有 開關(guān)保持閉合,滑動 變阻器滑片不動 無 開關(guān)保持閉合,迅速移動滑動變阻器的滑片 有 4.感應電流產(chǎn)生的條件 只要穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化,閉合導體回路中就會產(chǎn)生感應電流. 判一判 (1)奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應;法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象.( ) (2)只要閉合電路內(nèi)有磁通量,閉合電路中就有感應電流產(chǎn)生.( ) (3)穿過螺線管的磁通量發(fā)生變化時,螺線管內(nèi)部就一定有感應電流產(chǎn)生.( ) (4)線框不閉合時,即使穿過線框的磁通量發(fā)生變化,線框中也沒有感應電流產(chǎn)生.( ) 提示:(1)√ (2) (3) (4)√ 做一做 (多選)下列說法中正確的是( ) A.發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的科學家是奧斯特,發(fā)現(xiàn)電流磁效應的科學家是法拉第 B.奧斯特的思維和實踐沒有突破當時人類對電和磁的認識 C.產(chǎn)生感應電流的原因都與變化或運動有關(guān) D.電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們找到了“磁生電”的方法,開辟了人類的電氣化時代 提示:選CD.發(fā)現(xiàn)電流磁效應的科學家是奧斯特,發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的科學家是法拉第;產(chǎn)生感應電流的原因都與變化或運動有關(guān);電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),宣告了電磁學的誕生,開辟了人類的電氣化時代. 想一想 哪些情況可以引起磁通量Φ的變化? 提示:磁通量的變化有三種情況,由Φ=BS可知: (1)是磁感應強度B不變,有效面積S變化; (2)是磁感應強度B變化,有效面積S不變; (3)是磁感應強度B和有效面積S同時發(fā)生變化. 電磁感應現(xiàn)象 1.電流的磁效應:1820年,丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)通電導線能使放在導線附近的小磁針偏轉(zhuǎn),這種作用稱為電流的磁效應. 電流的磁效應說明電流能在其周圍產(chǎn)生磁場(電生磁). 2.電磁感應現(xiàn)象 1831年,英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象,即“磁生電”. 法拉第把引起電流的原因概括為五類:變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體.他把這些現(xiàn)象定名為電磁感應,產(chǎn)生的電流叫感應電流. 1820年4月的一天,丹麥科學家奧斯特在上課時,無意中讓通電導線靠近小磁針,突然發(fā)現(xiàn)小磁針偏轉(zhuǎn).這個現(xiàn)象并沒有引起在場其他人的注意,而奧斯特卻是個有心人,他非常興奮,緊緊抓住這個現(xiàn)象,接連三個月深入地研究,反復做了幾十次實驗,關(guān)于奧斯特的實驗,如圖所示,下列操作中一定能夠觀察到小磁針偏轉(zhuǎn)的是( ) A.通電導線AB東西放置,小磁針放在導線正下方,閉合開關(guān) B.通電導線AB南北放置,小磁針放在導線正下方,閉合開關(guān) C.通電導線AB東西放置,小磁針放在導線正下方,改變電流方向 D.通電導線AB南北放置,小磁針放在AB的延長線上,改變電流大小 [解析] 奧斯特發(fā)現(xiàn)電流周圍存在磁場,對小磁針有磁場力作用,但地磁場(指向南北)也對小磁針有磁場力作用,所以為了減小地磁場的影響,應將導線南北放置.根據(jù)通電導線周圍磁場的分布情況可知,小磁針應放在通電導線的下方或上方,不能放在通電導線的延長線上.此時小磁針若偏轉(zhuǎn),則說明是通電導線的磁場引起的,故選項B正確. [答案] B 電流的磁效應與電磁感應的區(qū)別與聯(lián)系 (1)電流的磁效應是指電流周圍存在磁場,即“電生磁”;而電磁感應是指利用磁場產(chǎn)生電流,即“磁生電”.這是兩種因果關(guān)系相反的現(xiàn)象,區(qū)別這兩種現(xiàn)象的關(guān)鍵是看電流是條件還是結(jié)果. (2)電流的磁效應和電磁感應現(xiàn)象都揭示了電和磁的內(nèi)在聯(lián)系. 如圖所示,小磁針正上方的直導線與小磁針平行,當導線中通有電流時,小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn).首先觀察到這個實驗現(xiàn)象的物理學家和觀察到的現(xiàn)象分別是( ) A.奧斯特,小磁針的N極轉(zhuǎn)向紙內(nèi) B.法拉第,小磁針的S極轉(zhuǎn)向紙內(nèi) C.庫侖,小磁針靜止不動 D.洛倫茲,小磁針的N極轉(zhuǎn)向紙內(nèi) 解析:選A.首先發(fā)現(xiàn)電流周圍存在磁場的科學家是奧斯特,根據(jù)安培定則可知該導線下方的磁場方向垂直紙面向里,因此小磁針的N極轉(zhuǎn)向紙內(nèi),A正確. 對Φ和ΔΦ的理解 1.磁通量的計算 (1)B與S垂直時:Φ =BS,S為線圈的有效面積.如圖甲所示. (2)B與S不垂直時:Φ=BS⊥=B⊥S,S⊥為線圈在垂直磁場方向上的投影面積,B⊥為B在垂直于S方向上的分量.如圖乙、丙所示. (3)某線圈所圍面積內(nèi)有不同方向的磁場時,規(guī)定某個方向的磁通量為正,反方向的磁通量為負,求其代數(shù)和,如圖丁所示. 2.磁通量是標量,但有正負,其正負表示與規(guī)定的穿入方向相同或相反,穿過某一面的磁通量等于各部分磁通量的代數(shù)和. 3.磁通量的變化(ΔΦ=Φ2-Φ1)大致可分為以下幾種情況: (1)磁感應強度B不變,有效面積S發(fā)生變化.如圖甲所示.ΔΦ=BS2-BS1=B(S2-S1)=BΔS. (2)有效面積S不變,磁感應強度B發(fā)生變化.如圖乙所示.ΔΦ=B2S-B1S=(B2-B1)S=ΔBS. (3)磁感應強度B和線圈面積S都不變,它們之間的夾角發(fā)生變化.如圖丙所示.ΔΦ=Φ2-Φ1. 4.用磁感線的條數(shù)表示磁通量 當回路中有不同方向的磁感線穿過時,磁通量是指穿過某一面磁感線的“凈”條數(shù),即指不同方向的磁感線的條數(shù)差. 命題視角1 Φ和ΔΦ的定性分析 (2017高考江蘇卷)如圖所示,兩個單匝線圈a、b的半徑分別為r和2r.圓形勻強磁場B的邊緣恰好與a線圈重合,則穿過a、b兩線圈的磁通量之比為( ) A.1∶1 B.1∶2 C.1∶4 D.4∶1 [解析] 由題圖可知,穿過a、b兩個線圈的磁通量均為Φ=Bπr2,因此磁通量之比為1∶1,A項正確. [答案] A 命題視角2 對Φ和ΔΦ的計算 (2018合肥一中高二檢測)如圖所示的線框abcd面積為S,處于磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向與線框平面成θ角,當線框以ab為軸順時針轉(zhuǎn)90到虛線位置時,試求: (1)初末位置穿過線框的磁通量大小Φ1和Φ2; (2)磁通量的變化量ΔΦ. [思路點撥] (1)初末位置磁場是否從同一面穿過? (2)初末位置垂直于B方向的投影面積是多大? [解析] (1)法一:在初始位置,把面積向垂直于磁場方向進行投影,可得垂直于磁場方向的面積為S⊥=Ssin θ,所以Φ1=BSsin θ.在末位置,把面積向垂直于磁場方向進行投影,可得垂直于磁場方向的面積為S′⊥=Scos θ.由于磁感線從反面穿入,所以Φ2=-BScos θ. 法二:如圖所示,把磁感應強度B沿垂直于面積S和平行于面積S的方向進行分解,得B上=Bsin θ,B左=Bcos θ 所以Φ1=B上S=BSsin θ. Φ2=-B左S=-BScos θ. (2)開始時B與線框平面成θ角,穿過線框的磁通量Φ1=BSsin θ;當線框平面按順時針方向轉(zhuǎn)動時,穿過線框的磁通量減少,當轉(zhuǎn)動θ時,穿過線框的磁通量減少為零,繼續(xù)轉(zhuǎn)動至90時,磁感線從另一面穿過,磁通量變?yōu)椤柏摗敝?,?=-BScos θ.所以,ΔΦ=Φ2-Φ1=-BScos θ-BSsin θ=-BS(cos θ+sin θ). [答案] (1)BSsin θ -BScos θ (2)-BS(cos θ+sin θ) 求解磁通量變化量時應注意其變化是由何種原因引起的.另外還要注意: (1)求解磁通量的變化量時要取有效面積; (2)磁通量的變化與線圈的匝數(shù)無關(guān); (3)磁感線從不同側(cè)面穿過線圈時磁通量的正負不同. 【通關(guān)練習】 1.如圖所示,水平放置的扁平條形磁鐵,在磁鐵的左端正上方有一金屬線框,線框平面與磁鐵垂直,當線框從左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的過程中,穿過它的磁通量的變化情況是( ) A.先減小后增大 B.始終減小 C.始終增大 D.先增大后減小 解析:選A.線框在磁鐵兩端的正上方時穿過該線框磁通量最大,在磁鐵中央時穿過該線框的磁通量最小,所以該過程中的磁通量先減小后增大,故A對. 2.一個單匝矩形線圈abcd,邊長ab=30 cm,bc=20 cm,如圖所示,放在O-xyz直角坐標系內(nèi),線圈平面垂直于xOy平面,與x軸和y軸的夾角分別為α=30和β=60,勻強磁場的磁感應強度B=1.010-2T.試計算:當磁場方向分別沿Ox、Oy、Oz方向時,穿過線圈的磁通量各為多少? 解析:矩形線圈的面積S=abbc=0.300.20 m2=610-2m2 矩形線圈在垂直于三個坐標軸的平面上的投影面積的大小分別為 Sx=Scos β=610-2 m2=310-2m2 Sy=Scos α=610-2 m2=310-2m2 Sz=0 當磁感應強度B沿Ox方向時,穿過線圈的磁通量Φx=BSx=1.010-2310-2 Wb=310-4 Wb 當磁感應強度B沿Oy方向時,穿過線圈的磁通量Φy=BSy=1.010-2310-2 Wb=310-4 Wb 當磁感應強度B沿Oz方向時,穿過線圈的磁通量Φz=BSz=0. 答案:310-4 Wb 310-4 Wb 0 對感應電流產(chǎn)生條件的理解 1.感應電流產(chǎn)生的必要條件是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化,所以判斷感應電流有無時必須明確以下兩點: (1)明確電路是否為閉合電路. (2)判斷穿過回路的磁通量是否發(fā)生變化. 2.判斷穿過閉合導體回路的磁通量是否變化時,可充分利用磁感線來進行定性判斷.即通過觀察穿過閉合導體回路的磁感線的條數(shù)是否變化判斷某過程中磁通量是否變化. 命題視角1 對感應電流有無的判斷 下圖中能產(chǎn)生感應電流的是( ) [思路點撥] (1)電路是否閉合? (2)磁通量是否變化? [解析] 根據(jù)產(chǎn)生感應電流的條件:A選項中,電路沒閉合,無感應電流;B選項中,面積增大,閉合電路的磁通量增大,有感應電流;C選項中,穿過線圈的磁感線相互抵消,Φ恒為零,無感應電流;D選項中,磁通量不發(fā)生變化,無感應電流. [答案] B 命題視角2 對探究實驗的考查 如圖所示實驗裝置中可用于研究電磁感應現(xiàn)象的是( ) [解析] 選項A是用來探究影響安培力大小因素的實驗;選項B是研究電磁感應現(xiàn)象的實驗,觀察導體棒在磁場中做切割磁感線運動時電流表是否會產(chǎn)生感應電流;選項C是用來探究安培力的方向與哪些因素有關(guān)的實驗;選項D是奧斯特實驗,證明通電導線周圍存在磁場. [答案] B 判斷電路中是否產(chǎn)生感應電流,關(guān)鍵要分析穿過閉合電路的磁通量是否發(fā)生變化.分析磁通量是否發(fā)生變化就必須要弄清楚相關(guān)磁場的磁感線分布情況,而對于立體圖,往往還需要將立體圖轉(zhuǎn)換為平面圖,如轉(zhuǎn)化為俯視圖、側(cè)視圖等. (多選)(2018湖北宜昌檢測)如圖所示,一個金屬薄圓盤水平放置在豎直向上的勻強磁場中,下列做法能使圓盤中產(chǎn)生感應電流的是( ) A.圓盤繞過圓心的豎直軸勻速轉(zhuǎn)動 B.圓盤以某一水平直徑為軸勻速轉(zhuǎn)動 C.圓盤在磁場中向右勻速平移 D.勻強磁場均勻增加 解析:選BD.只有當圓盤中的磁通量發(fā)生變化時,圓盤中才會產(chǎn)生感應電流,當圓盤繞過圓心的豎直軸勻速轉(zhuǎn)動或圓盤在磁場中向右勻速平移時,圓盤中的磁通量不發(fā)生變化,不能產(chǎn)生感應電流,故選項A、C錯誤;當圓盤以某一水平直徑為軸勻速轉(zhuǎn)動或勻強磁場均勻增加時,圓盤中的磁通量發(fā)生變化,圓盤中將產(chǎn)生感應電流,故選項B、D正確. [隨堂檢測] 1.(2018上海交大附中檢測)均勻帶負電的塑料圓環(huán)繞垂直于圓環(huán)平面且過圓心的軸旋轉(zhuǎn),在環(huán)的圓心處有一閉合小線圈,小線圈和圓環(huán)在同一平面,則( ) A.只要圓環(huán)在轉(zhuǎn)動,小線圈內(nèi)就一定有感應電流 B.不管圓環(huán)怎樣轉(zhuǎn)動,小線圈內(nèi)都沒有感應電流 C.圓環(huán)在做變速轉(zhuǎn)動時,小線圈內(nèi)一定有感應電流 D.圓環(huán)在做勻速轉(zhuǎn)動時,小線圈內(nèi)有感應電流 解析:選C.帶負電的圓環(huán)轉(zhuǎn)動時,形成電流.當圓環(huán)勻速轉(zhuǎn)動時,等效電流為恒定值,根據(jù)電流的磁效應,它產(chǎn)生恒定的磁場,因此通過小線圈的磁通量不變,故小線圈內(nèi)無感應電流產(chǎn)生,A、D錯誤;當圓環(huán)變速轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生的等效電流不恒定,產(chǎn)生的磁場也是變化的,通過小線圈的磁通量不斷發(fā)生變化,則小線圈內(nèi)一定有感應電流,B錯誤,C正確. 2.(2018青島二中檢測)如圖所示,a、b、c三個閉合線圈放在同一平面內(nèi),當線圈a中有電流I通過時,穿過它們的磁通量分別為Φa、Φb、Φc,下列說法正確的是( ) A.Φa<Φb<Φc B.Φa>Φb>Φc C.Φa<Φc<Φb D.Φa>Φc>Φb 解析:選B.當a中有電流通過時,穿過a、b、c三個閉合線圈的向里的磁感線條數(shù)一樣多,向外的磁感線的條數(shù)c最多,其次是b,a中沒有向外的磁感線,因此根據(jù)合磁通量的計算方法,應該是Φa>Φb>Φc,選項B正確. 3.(2018上海金山中學檢測)如圖所示,勻強磁場中有一個閉合的彈簧線圈,線圈的平面垂直于磁感線,下列哪種過程中線圈會產(chǎn)生感應電流( ) A.線圈擴張 B.線圈自下向上運動 C.線圈自上向下運動 D.線圈自左向右運動(未穿出磁場) 解析:選A.線圈擴張,線圈中磁通量變大,線圈中會產(chǎn)生感應電流.故A項正確;線圈自下向上運動,線圈中磁通量不變,線圈中不會產(chǎn)生感應電流.故B項錯誤;線圈自上向下運動,線圈中磁通量不變,線圈中不會產(chǎn)生感應電流.故C項錯誤; 在未穿出磁場的前提下,線圈自左向右運動,線圈中磁通量不變,線圈中不會產(chǎn)生感應電流.故D項錯誤. 4.(2018石家莊二中高二檢測)我國的探月衛(wèi)星在進入近地點的地月轉(zhuǎn)移軌道時,假設衛(wèi)星中有一邊長為50 cm的正方形導線框,由于衛(wèi)星的姿勢由水平方向轉(zhuǎn)至豎直方向,此時地磁場磁感應強度B=410-5T,方向如圖所示.(sin 37=0.6,cos 37=0.8)問: (1)該過程中磁通量的改變量是多少? (2)該過程導線框中有無感應電流? 解析:(1)設導線框在水平位置時導線框平面的法線方向豎直向上,則穿過導線框的磁通量:Φ1=BScos 53=6.010-6 Wb 當導線框轉(zhuǎn)至豎直位置時,導線框平面的法線方向水平向右,與磁感線所成的角為143,穿過導線框的磁通量: Φ2=BScos 143=-8.010-6 Wb 該過程磁通量的改變量:|ΔΦ|=|Φ2-Φ1|=1.410-5 Wb. (2)因為該過程穿過閉合導線框的磁通量發(fā)生了變化,所以一定有感應電流. 答案:見解析 [課時作業(yè)] 一、單項選擇題 1.(2018北京順義區(qū)考前模擬)在如圖所示的實驗中,能在線圈中產(chǎn)生感應電流的是( ) A.磁鐵N極停在線圈中 B.磁鐵S極停在線圈中 C.磁鐵從線圈內(nèi)抽出的過程 D.磁鐵靜止在線圈左側(cè) 解析:選C.磁鐵N極停在線圈中,穿過線圈的磁通量不變,不能產(chǎn)生感應電流.故A錯誤;磁鐵S極停在線圈中,穿過線圈的磁通量不變,不能產(chǎn)生感應電流.故B錯誤;磁鐵從線圈內(nèi)抽出的過程,穿過線圈的磁通量減小,能產(chǎn)生感應電流.故C正確;磁鐵靜止在線圈左側(cè),穿過線圈的磁通量不變,不能產(chǎn)生感應電流.故D錯誤. 2.關(guān)于電磁感應現(xiàn)象,下列說法中正確的是( ) A.閉合線圈放在變化的磁場中,必然有感應電流產(chǎn)生 B.閉合正方形線圈在勻強磁場中垂直磁感線運動,必然產(chǎn)生感應電流 C.穿過閉合線圈的磁通量變化時,線圈中有感應電流 D.只要穿過電路的磁通量發(fā)生變化,電路中一定有感應電流產(chǎn)生 解析:選C.閉合線圈放在變化的磁場中,當穿過線圈的磁通量變化時,才有感應電流產(chǎn)生,選項A錯誤; 閉合正方形線圈在勻強磁場中垂直磁感線運動,磁通量不變時,則不產(chǎn)生感應電流,選項B錯誤;穿過閉合線圈的磁通量變化時,線圈中有感應電流,選項C正確;只有穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化,電路中才一定有感應電流產(chǎn)生,選項D錯誤. 3.(2018濟南高二檢測)如圖所示,一矩形線框從abcd位置移到a′b′c′d′位置的過程中,關(guān)于穿過線框的磁通量情況,下列敘述正確的是(線框平行于紙面移動)( ) A.一直增加 B.一直減少 C.先增加后減少 D.先增加,再減少直到零,然后再增加,然后再減少 解析:選D.離導線越近,磁場越強,當線框從左向右靠近導線的過程中,穿過線框的磁通量增大,當線框跨在導線上向右運動時,磁通量減小,當導線在線框正中央時,磁通量為零,從該位置向右,磁通量又增大,當線框離開導線向右運動的過程中,磁通量又減??;故A、B、C錯誤,D正確. 4.(2018江西橫峰中學月考)如圖所示,矩形線框在磁場內(nèi)做的各種運動中,能夠產(chǎn)生感應電流的是( ) 解析:選B.A中線框的磁通量沒有變化,因此沒有感應電流,A錯誤;B中線框轉(zhuǎn)動,線框中磁通量變化,有感應電流,B正確;C、D中線圈平面和磁場方向平行,沒有磁通量,更沒有磁通量的變化,C、D錯誤. 5.如圖所示,在條形磁鐵的外面套著一個閉合金屬彈簧線圈P,現(xiàn)用力從四周拉彈簧線圈,使線圈包圍的面積變大,則下列關(guān)于穿過彈簧線圈磁通量的變化以及線圈中是否有感應電流產(chǎn)生的說法中,正確的是( ) A.磁通量增大,有感應電流產(chǎn)生 B.磁通量增大,無感應電流產(chǎn)生 C.磁通量減小,有感應電流產(chǎn)生 D.磁通量減小,無感應電流產(chǎn)生 解析:選C.本題中條形磁鐵磁感線的分布如圖所示(從上向下看). 磁通量是指穿過一個面的磁感線的多少,由于豎直向上的和豎直向下的磁感線要抵消一部分,當彈簧線圈P的面積擴大時,豎直向下的磁感線條數(shù)增加,而豎直向上的磁感線條數(shù)是一定的,故穿過這個面的磁通量將減小,回路中會有感應電流產(chǎn)生. 6.如圖所示,三個線圈放在勻強磁場中,面積S1- 配套講稿:
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