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  • 物理创新设计配套PPT及教师word第3节 动量守恒定律

    时间:2021-01-28 20:19:55 来源:蒲公英阅读网 本文已影响 蒲公英阅读网手机站

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     第 第 3 节 节

     动量守恒定律 学习目标 核心提炼 1.了解系统、内力和外力的概念。

     1 个条件——动量守恒条件 1 个定律——动量守恒定律 3 个概念——系统 内力 外力 2.知道动量守恒定律的适用条件,掌握动量守恒定律的确切含义和表达式。

     3.了解动量守恒定律的普遍适用性。

     4.能用动量守恒定律解决一些生活和生产中的实际问题。

     一、系统、内力和外力 阅读教材第 12 页内容,理解系统、内力和外力概念。

     1.系统:相互作用的两个或多个物体组成的整体。

     2.内力:系统内部物体间的相互作用力。

     3.外力:系统以外的物体对系统以内的物体的作用力。

     思维拓展 (1)对某一系统来说一个力是内力,在另一情况下这个力能变成外力吗?

     (2)如图 1 所示,甲、乙、丙三辆车碰撞发生追尾事故。

     图 1 ①选甲、乙两车为系统,丙对乙的力是内力还是外力?甲和乙组成的系统动量守恒吗? ②选甲、乙、丙三车为系统,丙对乙的力是内力还是外力?三车组成的系统动量守恒吗? 答案 (1)能。内力是系统内物体之间的作用力,一个力是内力还是外力不是固定的,要看选择的系统,当选择的系统发生变化时,这个力可能就会由内力变为外力,所以是内力还是外力关键看选择的系统。

     (2)①外力 不守恒 ②内力 守恒

     二、动量守恒定律 阅读教材第 12~15 页内容,掌握动量守恒定律的内容及表达式,会用动量守恒定律解决实际问题。

     1.内容:如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为 0,这个系统的总动量保持不变。

     2.表达式:对两个物体组成的系统,常写成:p 1 +p 2 =p 1 ′+p 2 ′或 m 1 v 1 +m 2 v 2 =m 1 v 1 ′+m 2 v 2 ′。

     3.适用条件:系统不受外力或者所受外力矢量和为零。

     4.普适性:动量守恒定律是一个独立的实验规律,它适用于目前为止物理学研究的一切领域。

     思考判断 (1)一个系统初、末态动量大小相等,即动量守恒。(

     ) (2)两个做匀速直线运动的物体发生碰撞,两个物体组成的系统动量守恒。(

     ) (3)只要系统受到的外力的功为零,动量就守恒。(

     ) (4)只要系统所受到的合力的冲量为零,动量就守恒。(

     ) (5)系统动量守恒也就是系统的动量变化量为零。(

     ) 答案 (1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)√

      动量守恒条件的理解

     [要点归纳] 1.动量守恒中,研究对象:两个或两个以上的物体组成的相互作用的系统。

     2.动量守恒条件 (1)理想条件:系统不受外力时,动量守恒。

     (2)实际条件:系统所受外力的矢量和为零时,动量守恒。

     (3)近似条件:系统受外力,但外力远小于内力,则系统总动量近似守恒。

     (4)推广条件:系统受力不符合以上三条中的任一条,则系统的总动量不守恒,但是,若系统在某一方向上符合以上三条中的某一条,则系统在该方向上动量守恒。

     [精典示例]

      [例 1] (多选)如图 2 所示,A、B 两物体质量之比 m A ∶m B =3∶2,原来静止在平板小车 C 上,A、B 间有一根被压缩的弹簧,地面光滑。当弹簧突然释放后,则下列说法正确的是(

     )

     图 2 A.若 A、B 与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B 组成系统的动量守恒 B.若 A、B 与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B、C 组成系统的动量守恒 C.若 A、B 所受的摩擦力大小相等,A、B 组成系统的动量守恒 D.若 A、B 所受的摩擦力大小相等,A、B、C 组成系统的动量守恒 解析 如果 A、B 与平板车上表面间的动摩擦因数相同,弹簧释放后,A、B 分别相对小车向左、向右滑动,它们所受的滑动摩擦力 F A 向右,F B 向左,由于 m A ∶m B=3∶2,所以 F A ∶F B =3∶2,则 A、B 组成的系统所受的外力之和 不为零,故其动量不守恒,选项 A 错误;对 A、B、C 组成的系统,A、B 与 C 间的摩擦力为内力,该系统所受的外力的合力为零,故该系统的动量守恒,选项 B、D 均正确;若 A、B 所受摩擦力大小相等,则 A、B 组成的系统的外力之和为零,故其动量守恒,选项 C 正确。

     答案 BCD

     1.动量守恒定律的研究对象是相互作用的物体组成的系统。判断系统的动量是否守恒,与选择哪几个物体作为系统和分析哪一段运动过程有直接关系。

     2.判断系统的动量是否守恒,要注意守恒的条件是不受外力或所受合外力为零,因此要分清哪些力是内力,哪些力是外力。

     3.系统的动量守恒,并不是系统内各物体的动量都不变。一般来说,系统的动量守恒时,系统内各物体的动量是变化的,但系统内各物体的动量的矢量和是不变的。

      [针对训练 1] 如图 3 所示,小车与木箱紧挨着静放在光滑的水平冰面上,现有一男孩站在小车上用力向右迅速推出木箱,关于上述过程,下列说法正确的是(

     )

      图 3 A.男孩和木箱组成的系统动量守恒 B.小车与木箱组成的系统动量守恒 C.男孩、小车与木箱三者组成的系统动量守恒 D.木箱的动量增量与男孩、小车的总动量增量相同 解析 由动量守恒定律成立的条件可知男孩、小车与木箱三者组成的系统动量守恒,选项 A、B 错误,C 正确;木箱的动量增量与男孩、小车的总动量增量大小相等,方向相反,选项 D 错误。

     答案 C

      动量守恒定律的理解 [要点归纳] 1.应用动量守恒定律的解题步骤

     2.动量守恒常见的表达式 (1)p′=p,其中 p′、p 分别表示系统的末动量和初动量,表示系统作用后的总动量等于作用前的总动量。

     (2)Δp=0,表示系统总动量的增量等于零。

     (3)Δp 1 =-Δp 2 ,其中 Δp 1 、Δp 2 分别表示系统内两个物体初、末动量的变化量,即两个物体组成的系统,各自动量的增量大小相等、方向相反。

     [精典示例]

      [例 2] 如图 4 所示,一枚火箭搭载着卫星以速率 v 0 进入太空预定位置,由控制系统使箭体与卫星分离。已知前部分的卫星质量为 m 1 ,后部分的箭体质量为 m 2 ,分离后箭体以速率 v 2 沿火箭原方向飞行,若忽略空气阻力及分离前、后系统质量的变化,则分离后卫星的速率 v 1 为(

     )

     图 4 A.v 0 -v 2

     B.v 0 +v 2

      C.v 0 - m2m 1 v 2

     D.v 0 + m2m 1 (v 0 -v 2 ) 解析 忽略空气阻力和分离前、后系统质量的变化,卫星和箭体整体分离前后动量守恒,则有(m 1 +m 2 )v 0 =m 1 v 1 +m 2 v 2 ,整理可得 v 1 =v 0 + m2m 1 (v 0 -v 2 ),故选项 D正确。

     答案 D

      应用动量守恒定律解题,在规定正方向的前提下,要注意各已知速度的正负号,求解出未知速度的正负号,一定要指明速度方向。

     [针对训练 2] 下列解释中正确的是(

     ) A.跳高时,在落地处垫海绵是为了减小冲量 B.在码头上装橡皮轮胎,是为了减小渡船靠岸过程受到的冲量 C.动量相同的两个物体受相同的制动力作用,质量小的先停下来 D.人从越高的地方跳下,落地时越危险,是因为落地时人受到的冲量越大 解析 跳高时,在落地处垫海绵是为了延长作用时间减小冲力,不是减小冲量,故选项 A 错误;在码头上装橡皮轮胎,是为了延长作用时间,从而减小冲力,不是减小冲量,故选项 B 错误;动量相同的两个物体受相同的制动力作用,根据动量定理 Ft=mv,则知运动时间相等,故选项 C 错误;从越高的地方跳下,落地时速度越大,动量越大,则冲量越大,故选项 D 正确。

     答案 D

      动量守恒定律的应用 [要点归纳]

     对于两个以上的物体组成的系统,由于物体较多,相互作用的情况也不尽相同,作用过程较为复杂,虽然仍可对初、末状态建立动量守恒的关系式,但因未知条件过多而无法求解,这时往往要根据作用过程中的不同阶段,建立多个动量守恒方程,或将系统内的物体按作用的关系分成几个小系统,分别建立动量守恒定律方程。

     求解这类问题时应注意:

     (1)正确分析作用过程中各物体状态的变化情况,建立运动模型。

     (2)分清作用过程中的不同阶段,并找出联系各阶段的状态量。

     (3)合理选取研究对象,既要符合动量守恒的条件,又要方便解题。

     [精典示例]

     [例 3] (2019·杭州第二中学高二检测)如图 5,光滑水平直轨道上有三个质量均为 m的物块 A、B、C。B 的左侧固定一轻弹簧(弹簧左侧的挡板质量不计)。设 A 以速度 v 0 朝 B 运动,压缩弹簧;当 A、B 速度相等时,B 与 C 恰好相碰并粘接在一起,然后继续运动,假设 B 和 C 碰撞过程时间极短。求从 A 开始压缩弹簧直至与弹簧分离的过程中整个系统损失的机械能。

     图 5

     审题指导 关键词 信息 当 A、B 速度相等时 A 与 B 系统的动量守恒,末状态为速度相等时刻 B 与 C 恰好相碰并粘接在一起,B 和 C 碰撞过程时间极短 (1)B 与 C 的动量守恒,末状态为 B 与 C 具有相同速度的时刻 (2)B 和 C 碰撞时,A 的速度不变 系统损失的机械能 (1)B 和 C 粘接在一起之前与之后,A、B 和 C 组成的系

     统机械能守恒 (2)B 与 C 粘接在一起之前瞬间 B 的动能减去 B 与 C 具有相同速度时 B 和 C 的动能为损失的机械能 解析 对 A、B 接触的过程中,由动量守恒定律得 mv 0 =2mv 1 ,解得 v 1 = 12 v 0

     B 与 C 接触的瞬间,B、C 组成的系统动量守恒 有 m v02=2mv 2 ,解得 v 2 = v04,系统损失的机械能为 ΔE= 12 m v 022- 12 ·2m v 042=116 mv20

     答案 116 mv20

     [针对训练 3] (多选)如图 6 所示,在橄榄球比赛中,一个 85 kg 的前锋队员以 5 m/s的速度跑动,想穿越防守队员到底线触地得分。就在他刚要到底线时,迎面撞上了对方两名均为 65 kg 的队员,一个速度为 2 m/s,另一个速度为 4 m/s,然后他们就扭在了一起,则(

     )

     图 6 A.他们碰撞后的共同速率是 0.2 m/s B.碰撞后这名前锋动量的方向仍向前 C.这名前锋能得分 D.这名前锋不能得分 解析 前锋队员的质量为 M,速度为 v 1 ,两名 65 kg 的队员质量均为 m,速度分别为 v 2 、v 3 。取前锋队员跑动的速度方向为正方向,根据动量守恒定律可得 Mv 1-mv 2 -mv 3 =(M+m+m)v,代入数据得 v≈0.16 m/s。所以碰撞后的速度仍向前,故这名前锋能得分,选项 B、C 正确。

     答案 BC

      1.(动量守恒条件的理解)(多选)下列四幅图所反映的物理过程中,系统动量守恒的是(

     )

     解析 选项A中子弹和木块的系统在水平方向不受外力,竖直方向所受合力为零,系统动量守恒;选项 B 中在弹簧恢复原长过程中,系统在水平方向始终受墙的作用力,系统动量不守恒;选项 C 中木球与铁球的系统所受合力为零,系统动量守恒;选项 D 中系统水平方向动量守恒。

     答案 ACD 2.(动量守恒定律的简单应用)解放军鱼雷快艇在南海海域附近执行任务,假设鱼雷快艇的总质量为 M,以速度 v 前进,现沿快艇前进方向发射一颗质量为 m 的鱼雷后,快艇速度减为原来的 35 ,不计水的阻力,则鱼雷的发射速度为(

     ) A. 2M+3m5mv

      B. 2M5m v C. 4M-m5mv

      D. 4M5m v 解析 设快艇的速度方向为正方向; 根据动量守恒定律有:Mv=(M-m) 35 v+mv′。

     解得 v′= 2M+3m5mv。

     答案 A 3.(动量守恒定律的简单应用)如图 7 所示,进行太空行走的宇航员 A 和 B 的质量分别为 80 kg 和 100 kg,他们携手远离空间站,相对空间站的速度为 0.1 m/s。A

     将 B 向空间站方向轻推后,A 的速度变为 0.2 m/s,求此时 B 的速度大小和方向。

     图 7 解析 以空间站为参考系,选远离空间站,即 v 0 方向为正方向。据动量守恒定律得 (m A +m B )v 0 =m A v A +m B v B , 代入数据解得 v B

     =0.02 m/s,远离空间站方向。

     答案 0.02 m/s 远离空间站方向 4.(动量守恒定律的应用)如图 8 所示,如果悬挂球的绳子能承受的最大拉力 T 0 =10 N,球质量 m=0.5 kg,L=0.3 m,锤头质量 M=0.866 kg,如果锤头沿水平方向打击球 m,锤头速度多大时才能把绳子打断?(设球原来静止,打击后锤头静止,g=10 m/s 2 )

     图 8 解析 球 m 被锤头打击后以 O 为圆心,L 为半径做圆周运动,且在刚打过后绳子拉力最大,由圆周运动向心力计算公式有 T 0 -mg=m v2L

     v=(T 0 -mg)Lm= 3 m/s 锤头打击 m 过程中,系统水平方向不受外力作用,系统水平方向动量守恒 Mv 0 =mv,得 v 0 = mvM=1 m/s 若要锤头击打小球后绳子被拉断,锤头的速度应大于等于 1 m/s。

     答案 大于等于 1 m/s

     1.下列情形中,满足动量守恒条件的是(

     ) A.用铁锤打击放在铁砧上的铁块,打击过程中,铁锤和铁块的总动量 B.子弹水平穿过放在光滑桌面上的木块的过程中,子弹和木块的总动量 C.子弹水平穿过墙壁的过程中,子弹和墙壁的总动量 D.棒击垒球的过程中,棒和垒球的总动量 解析 选项 A 中竖直方向合力不为零;选项 C 中墙壁受地面的作用力;选项 D中棒受人手的作用力,故合外力不为零,不符合动量守恒的条件。

     答案 B 2.如图 1 所示的装置中,木块 B 与水平桌面间的接触是光滑的,子弹 A 沿水平方向射入木块后留在木块内,将弹簧压缩到最短。现将子弹、木块和弹簧合在一起作为研究对象(系统),则此系统在从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的整个过程中(

     )

     图 1 A.动量守恒、机械能守恒 B.动量不守恒、机械能不守恒 C.动量守恒、机械能不守恒 D.动量不守恒、机械能守恒 解析 把系统从子弹射入木块到弹簧压缩至最短的过程分段考虑。第一段:子弹射入木块瞬间,弹簧仍保持原长,子弹与木块间的摩擦力为内力,合外力为零,所以此瞬间系统动量守恒,机械能不守恒。第二段:子弹射入木块后,与木块一起压缩弹簧,系统受墙面弹力(外力)不为零,所以此过程系统动量不守恒。综合

     在一起,整个过程中动量、机械能均不守恒,选项 B 正确。

     答案 B 3. (多选)如图 2 所示,光滑水平面上两小车中间夹一压缩了的轻弹簧,两手分别按住小车,使它们静止,对两车及弹簧组成的系统,下列说法正确的是(

     )

     图 2 A.两手同时放开后,系统总动量始终为零 B.先放开左手,后放开右手,两手放开后,动量不守恒 C.先放开左手,后放开右手,总动量向左 D.无论何时放手,两手放开后在弹簧恢复原长的过程中,系统总动量都保持不变,但系统的总动量不一定为零 解析 当两手同时放开时,系统所受的合外力为零,所以系统的动量守恒,又因开始时总动量为零,故系统总动量始终为零,选项 A 正确;先放开左手,左边的小车就向左运动,当再放开右手后,系统所受合外力为零,故系统的动量守恒,且开始时总动量方向向左,放开右手后总动量方向也向左,故选项 B 错误,C、D 正确。

     答案 ACD 4.如图 3 所示,质量为 M 的小车置于光滑的水平面上,车的上表面粗糙,有一质量为 m 的木块以初速度 v 0 水平地滑至车的上表面,若车足够长,则(

     )

     图 3 A.木块的最终速度为mM+m v 0

     B.由于车上表面粗糙,小车和木块所组成的系统动量不守恒 C.车上表面越粗糙,木块减少的动量越多 D.车上表面越粗糙,小车获得的动量越多 解析 由 m 和 M 组成的系统水平方向动量守恒易得选项 A 正确;m 和 M 动量的变化与小车上表面的粗糙程度无关,因为车足够长,最终各自的动量与摩擦力大小无关。

     答案 A 5.如图 4 所示,质量为 M 的小船在静止水面上以速率 v 0 向右匀速行驶,一质量为m 的救生员站在船尾,相对小船静止。若救生员以相对水面速率 v 水平向左跃入水中,则救生员跃出后小船的速率为(

     )

     图 4 A.v 0 + mM v

      B.v 0 - mM v C.v 0 + mM (v 0 +v)

      D.v 0 + mM (v 0 -v) 解析 小船和救生员组成的系统满足动量守恒 (M+m)v 0 =m·(-v)+Mv′ 解得 v′=v 0 + mM (v 0 +v),故选项 C 正确,A、B、D 均错误。

     答案 C 6.两辆质量相同的小车,置于光滑的水平面上,有一人静止在小车 A 上,两车 A、B 静止,如图 5 所示。当这个人从 A 车跳到 B 车上,接着又从 B 车跳回 A 车并与A 车保持相对静止时,则 A 车的速率(

     )

     图 5 A.等于零

      B.小于 B 车的速率 C.大于 B 车的速率

      D.等于 B 车的速率 解析 选 A 车、B 车和人作为系统,两车均置于光滑的水平面上,在水平方向上无论人如何跳来跳去,系统均不受外力作用,故满足动量守恒定律。设人的质量为 m,A 车和 B 车的质量均为 M,最终两车速度分别为 v A 和 v B 。由动量守恒定律得 0=(M+m)v A -Mv B ,则 vAv B =MM+m ,即 v A <v B ,故选项 B 正确。

     答案 B 7.(2020·济南高二检测)质量为M的砂车,沿光滑水平面以速度v 0 做匀速直线运动,此时从砂车上方落入一个质量为 m 的大铁球,如图 6 所示,则铁球落入砂车后,

     砂车将(

     )

     图 6 A.立即停止运动 B.仍匀速运动,速度仍为 v 0

     C.仍匀速运动,速度小于 v 0

     D.做变速运动,速度不能确定 解析 砂车及铁球组成的系统,水平方向不受外力,水平方向动量守恒,所以有Mv 0 =(M+m)v,v=MM+m v 0 <v 0 ,所以选项 C 正确。

     答案 C 8.光滑水平桌面上有 P、Q 两个物块,Q 的质量是 P 的 n 倍。将一轻弹簧置于 P、Q 之间,用外力缓慢压 P、Q。撤去外力后,P、Q 开始运动,P 和 Q 的动量大小的比值为(

     ) A.n 2

     B.n

      C. 1n

     D.1 解析 撤去外力后,P、Q 组成的系统水平方向不受外力,所以总动量守恒,设 P的运动方向为正方向,则根据动量守恒定律有 p P -p Q =0,p P =p Q ,故动量大小之比为 1∶1,故选项 D 正确。

     答案 D 9.如图 7 所示,甲、乙两物体在光滑水平面上沿同一直线相向运动,甲、乙物体的速度大小分别为 3 m/s 和 1 m/s;碰撞后甲、乙两物体都反向运动,速度大小均为 2 m/s。则甲、乙两物体质量之比为(

     )

     图 7 A.2∶3

      B.2∶5

      C.3∶5

      D.5∶3

     解析 选取碰撞前甲物体的速度方向为正方向,根据动量守恒定律有 m 甲 v 1 -m 乙v 2 =-m 甲 v 1 ′+m 乙 v 2 ′,代入数据,可得 m 甲 ∶m 乙 =3∶5,选项 C 正确。

     答案 C 10.(多选)两个小木块 A 和 B 中间夹着一轻质弹簧,用细线捆在一起,放在光滑的水平桌面上,松开细线后,木块 A、B 分别向左、右方向运动,离开桌面后做平抛运动,落地点与桌面边缘的水平距离分别为 l A =1 m,l B =2 m,如图 8 所示,则下列说法正确的是(

     )

     图 8 A.木块 A、B 离开弹簧时的速度大小之比 v A ∶v B =1∶2 B.木块 A、B 的质量之比 m A ∶m B =2∶1 C.木块 A、B 离开弹簧时的动能之比 E kA ∶E kB =1∶2 D.弹簧对木块 A、B 的作用力大小之比 F A ∶F B =1∶2 解析 A、B 两木块脱离弹簧后做平抛运动,由平抛运动规律得木块 A、B 离开弹簧时的速度之比为 vAv B =l Al B =12 ,选项 A 正确;根据动量守恒定律得 m A v A -m B v B =0,因此 mAm B =v Bv A =21 ,由此可知选项 B 正确;木块 A、B 离开弹簧时的动能之比为E kAE kB =错误! ! = 错误! ! × 错误! ! = 错误! ! ,选项C正确;弹簧对木块A、B的作用力大小之比 错误! != 11 =1,选项 D 错误。

     答案 ABC 11.a、b 两个小球在一直线上发生碰撞,它们在碰撞前后的 x-t 图象如图 9 所示。若 a 球的质量 m a =1 kg,则 b 球的质量 m b 等于多少?

     图 9 解析 由题图知 v a =4 m/s,v a ′=-1 m/s,v b =0,v b ′=2 m/s,根据动量守恒定律

     有 m a v a =m a v a ′+m b v b ′,代入数据解得 m b =2.5 kg。

     答案 2.5 kg 12.如图 10 所示,甲车的质量是 2 kg,静止在光滑水平面上,上表面光滑,右端放一个质量为 1 kg 的小物体,乙车质量为 4 kg,以 5 m/s 的速度向左运动,与甲车碰撞以后甲车获得 8 m/s 的速度,物体滑到乙车上,若乙车足够长,上表面与物体的动摩擦因数为 0.2,则物体在乙车上表面滑行多长时间相对乙车静止?(g取 10 m/s 2 )

     图 10 解析 乙与甲碰撞动量守恒 m 乙 v 乙 =m 乙 v 乙 ′+m 甲 v 甲 ′ 得 v 乙 ′=1 m/s 小物体在乙上滑动至有共同速度 v,对小物体与乙车运用动量守恒定律得 m 乙 v 乙 ′=(m+m 乙 )v,得 v=0.8 m/s 对小物体应用牛顿第二定律得 μmg=ma,a=μg=2 m/s 2

     所以 t=vμg ,代入数据得 t=0.4 s 或由动量定理 μmgt=mv,得 t=0.4 s 答案 0.4 s 13.如图 11 所示,竖直平面内的四分之一圆弧轨道下端与水平桌面相切,小滑块 A和 B 分别静止在圆弧轨道的最高点和最低点。现将 A 无初速度释放,A 与 B 碰撞后结合为一个整体,并沿桌面滑动。已知圆弧轨道光滑,半径 R=0.2 m,A 和 B的质量相等,A 和 B 整体与桌面之间的动摩擦因数 μ=0.2。取重力加速度 g= 10 m/s 2 。求:

     图 11

     (1)碰撞后瞬间 A 和 B 整体的速率 v′; (2)A 和 B 整体在桌面上滑动的距离 L。

     解析 (1)滑块 A 从圆弧轨道最高点到最低点机械能守恒,由 12 m A v2A =m A gR,可得v A =2 m/s。在底部和 B 相撞,满足动量守恒,由(m A +m B )v′=m A v A

     可得 v′=1 m/s。

     (2)根据动能定理,对 A、B 一起滑动过程由 -μ(m A +m B )gL=0- 12 (m A +m B )v′2

     可得 L=0.25 m。

     答案 (1)1 m/s (2)0.25 m

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