
[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.進(jìn)一步理解探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法.2.會(huì)利用牛頓第二定律分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)誤差.
在“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)中需注意以下幾個(gè)方面:
1.補(bǔ)償阻力:適當(dāng)墊高木板的右端,使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力,在補(bǔ)償阻力時(shí),不要把懸掛槽碼的細(xì)繩系在小車上,讓小車?yán)螯c(diǎn)的紙帶勻速運(yùn)動(dòng).
2.不重復(fù)補(bǔ)償阻力.
3.實(shí)驗(yàn)條件:小車的質(zhì)量m遠(yuǎn)大于槽碼的質(zhì)量m′.
4.一先一后一按:改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開(kāi)始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并應(yīng)先接通電源,后釋放小車,且應(yīng)在小車到達(dá)定滑輪前按住小車.
5.作圖像時(shí),要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上,不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對(duì)稱分布在所作直線兩側(cè).
6.作圖時(shí)兩軸標(biāo)度比例要選擇適當(dāng).各量需采用國(guó)際單位.
某實(shí)驗(yàn)小組利用圖1所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.
圖1
(1)下列做法正確的是________(填字母代號(hào))
A.調(diào)節(jié)滑輪的高度,使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長(zhǎng)木板保持平行
B.在調(diào)節(jié)木板傾斜度來(lái)補(bǔ)償木塊受到的阻力時(shí),將裝有砝碼的砝碼桶通過(guò)定滑輪拴在木塊上
C.實(shí)驗(yàn)時(shí),先放開(kāi)木塊再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源
D.通過(guò)增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí),不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度
(2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的拉力,應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量________木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量.(選填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”)
(3)甲、乙兩同學(xué)在同一實(shí)驗(yàn)室,各取一套圖1所示的裝置放在水平桌面上,木塊上均不放砝碼,在沒(méi)有補(bǔ)償阻力的情況下,研究加速度a與拉力F的關(guān)系,分別得到圖2中甲、乙兩條直線.設(shè)甲、乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲、m乙,甲、乙用的木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ甲、μ乙,由圖可知,m甲________m乙,μ甲________μ乙.(選填“大于”“小于”或“等于”)
圖2
答案 見(jiàn)解析
解析 (1)實(shí)驗(yàn)中細(xì)繩要保持與長(zhǎng)木板平行,A項(xiàng)正確;補(bǔ)償阻力時(shí)不能將裝有砝碼的砝碼桶通過(guò)定滑輪拴在木塊上,B項(xiàng)錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源再放開(kāi)木塊,C項(xiàng)錯(cuò)誤;通過(guò)增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí)不需要重新補(bǔ)償阻力,D項(xiàng)正確.
(2)由整體法和隔離法得到細(xì)繩中的拉力F=Ma=Meq \f(mg,M+m)=eq \f(1,1+\f(m,M))mg,可知,當(dāng)砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量M時(shí),可得F≈mg.
(3)沒(méi)有補(bǔ)償阻力,則F-μmg=ma,a=eq \f(F,m)-μg,a-F圖像的斜率大的木塊的質(zhì)量小,縱軸截距絕對(duì)值大的動(dòng)摩擦因數(shù)大,因此m甲<m乙,μ甲>μ乙.
某同學(xué)用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證牛頓第二定律,請(qǐng)回答下列有關(guān)此實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題:
圖3
(1)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備了圖中所示的實(shí)驗(yàn)裝置及下列輔助器材:
A.交變電源、導(dǎo)線
B.天平(含配套砝碼)
C.秒表
D.刻度尺
E.細(xì)線、砂和小砂桶
其中不必要的器材是________(填代號(hào))
(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在小車拖動(dòng)的紙帶上打下一系列點(diǎn)跡,以此記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況,其中一部分紙帶上的點(diǎn)跡情況如圖4甲所示,已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02 s,測(cè)得A點(diǎn)到B、C點(diǎn)的距離分別為x1=5.99 cm、x2=13.59 cm,則在打下點(diǎn)跡B時(shí),小車運(yùn)動(dòng)的速度vB=________ m/s;小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度a=________ m/s2.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)
圖4
(3)在驗(yàn)證“質(zhì)量一定,加速度a與合外力F的關(guān)系”時(shí),某學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了如圖乙所示的a-F圖像,其中圖線不過(guò)原點(diǎn)的原因是________________________________________
_______________________________________________________________________________;
圖線在末端彎曲的原因是__________________________________________________________
_______________________________________________________________________________.
答案 (1)C (2)0.680 1.61 (3)補(bǔ)償阻力過(guò)度 砂和小砂桶的總質(zhì)量m不遠(yuǎn)小于小車和砝碼的總質(zhì)量M
解析 (1)由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就是一個(gè)計(jì)時(shí)裝置,所以不需要秒表.
(2)由題圖甲知T=0.1 s,勻變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度,vB=eq \f(x2,2T)≈
0.680 m/s,由Δx=aT2知,(x2-x1)-x1=aT2,解得a=eq \f(x2-2x1,T2),代入數(shù)據(jù)解得a=1.61 m/s2.
(3)由題圖乙知,當(dāng)F=0時(shí),a≠0,說(shuō)明重力的分力產(chǎn)生了加速度,所以圖線不過(guò)原點(diǎn)的原因是補(bǔ)償阻力過(guò)度;以小車、砂和小砂桶整體為研究對(duì)象得:mg=(M+m)a,以小車為研究對(duì)象得F=Ma,聯(lián)立解得F=eq \f(Mm,M+m)g=eq \f(1,1+\f(m,M))mg,當(dāng)M?m時(shí)F≈mg,在圖線中,F(xiàn)越大,mg越大,就越不滿足M?m的條件,所以圖線在末端彎曲.
1.在做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中,保持小車和砝碼的總質(zhì)量不變,測(cè)得小車的加速度a和拉力F的數(shù)據(jù)如表所示.
(1)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在圖1所示的坐標(biāo)系中作出a-F圖像.
圖1
(2)圖像斜率的物理意義是________________________________________________________.
(3)小車和砝碼的總質(zhì)量為_(kāi)_______ kg.
(4)圖線(或延長(zhǎng)線)在F軸上的截距的物理意義是____________________________________
_______________________________________________________________________________.
答案 (1)見(jiàn)解析圖 (2)小車和砝碼總質(zhì)量的倒數(shù) (3)1 (4)小車受到的阻力為0.1 N
解析 (1)根據(jù)所給數(shù)據(jù)在所給坐標(biāo)系中準(zhǔn)確描點(diǎn),作出的a-F圖像如圖所示.
(2)根據(jù)F=Ma及(1)中圖像可以判斷圖像斜率表示小車和砝碼總質(zhì)量的倒數(shù).
(3)由(1)中圖像可得eq \f(1,M)=eq \f(Δa,ΔF),解得M=1 kg.
(4)由a-F圖像可知,當(dāng)力F=0.1 N時(shí),小車開(kāi)始運(yùn)動(dòng),說(shuō)明小車受到的阻力為0.1 N.
2.某同學(xué)利用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn).
圖2
(1)圖3為實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶的一部分,紙帶上標(biāo)出了連續(xù)的5個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),依次為A、B、C、D和E,相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)沒(méi)有標(biāo)出,已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所使用的交變電源的頻率為50 Hz.由紙帶量出相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離分別為xAB=4.22 cm、xBC=4.65 cm、xCD=5.08 cm、xDE=5.49 cm,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下C點(diǎn)時(shí),小車的速度大小為_(kāi)_______ m/s,小車的加速度大小為_(kāi)_______ m/s2.(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)
圖3
(2)某同學(xué)探究“保持物體所受合外力不變,其加速度與質(zhì)量的關(guān)系”時(shí),作出如圖4所示的圖像,由圖像可知,小車受到的合外力的大小是________ N.
圖4
答案 (1)0.49 0.43 (2)0.2
解析 (1)兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔T=0.1 s,C點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于BD段的平均速度,故有:
vC=eq \f(xBD,2T)=eq \f(?4.65+5.08?×10-2,0.2) m/s≈0.49 m/s
根據(jù)逐差法求得加速度大小為:a=eq \f(xCE-xAC,4T2)=eq \f(?5.49+5.08-4.65-4.22?×10-2,4×0.12) m/s2
≈0.43 m/s2
(2)在a-eq \f(1,m)圖像中,斜率表示合外力,故有:F=eq \f(a,\f(1,m))=eq \f(0.8,4.0) N=0.2 N.
3.(2020·浙江省東陽(yáng)中學(xué)期末)圖5a為“探究小車的加速度與物體受力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置圖,圖中A為小車,質(zhì)量為m1,連接在小車后面的紙帶穿過(guò)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,它們均置于水平放置的一端帶有定滑輪的足夠長(zhǎng)的木板上,B為沙桶和沙,質(zhì)量為m2,不計(jì)繩與滑輪的質(zhì)量及兩者間的摩擦,改變沙的質(zhì)量,測(cè)量多組數(shù)據(jù),并在坐標(biāo)系中作出了如圖c所示的a-F圖像,其中F=m2g.
圖5
(1)下列說(shuō)法正確的是________.
A.電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作時(shí)使用220 V的交變電源
B.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源后釋放小車
C.補(bǔ)償阻力時(shí),應(yīng)將沙桶用細(xì)繩通過(guò)定滑輪系在小車上
D.為了減小誤差,實(shí)驗(yàn)中一定要保證m2遠(yuǎn)小于m1
(2)圖b為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶,紙帶上標(biāo)出了所選的四個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離,相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)沒(méi)有畫出,各點(diǎn)間的距離如圖所示,則小車的加速度大小為_(kāi)_______ m/s2(交變電源的頻率為50 Hz,結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).
(3)圖c所示的a-F圖像中,圖線不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的原因是_________________________,由圖像求出小車的質(zhì)量m1為_(kāi)___________ kg(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).
答案 (1)BD (2)4.0 (3)沒(méi)有補(bǔ)償阻力 1.0
解析 (1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作時(shí)使用8 V的交變電源,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源后釋放小車,選項(xiàng)B正確;補(bǔ)償阻力時(shí)應(yīng)不掛沙桶,只讓小車拖著紙帶在木板上勻速運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)C錯(cuò)誤;為了減小誤差,實(shí)驗(yàn)中一定要保證m2遠(yuǎn)小于m1,這樣才能認(rèn)為沙桶和沙的總重力等于小車的拉力,選項(xiàng)D正確.
(2)兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T=0.1 s,由紙帶可知Δx=4 cm,則加速度大小a=eq \f(Δx,T2)=eq \f(4×10-2,0.12) m/s2=4.0 m/s2
(3)題圖c所示的a-F圖像中,當(dāng)F=0.1 N時(shí)才開(kāi)始有加速度,木板水平放置,可知圖線不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的原因是沒(méi)有補(bǔ)償阻力;根據(jù)牛頓第二定律有a=eq \f(F,m1)-μg,則eq \f(1,m1)=eq \f(0.5,0.6-0.1) kg-1=1 kg-1,解得m1=1.0 kg.
4.(2020·濟(jì)寧市高一檢測(cè))某同學(xué)利用如圖6甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn),該同學(xué)在鉤碼上方加裝了一個(gè)力傳感器,可以顯示上方細(xì)線拉力的大小.圖乙是某一次打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的一條記錄小車運(yùn)動(dòng)的紙帶.取計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E,且相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)沒(méi)有標(biāo)出,計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖乙所示,電源的頻率為50 Hz.
圖6
(1)實(shí)驗(yàn)中,下列說(shuō)法正確的是________.
A.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源后釋放小車
B.與小車相連的細(xì)線必須與木板平行
C.實(shí)驗(yàn)中小車的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量
D.每次改變小車質(zhì)量時(shí),應(yīng)重新補(bǔ)償阻力
(2)由圖乙可求得小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小a=________ m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字).
(3)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有測(cè)量小車的質(zhì)量,也忘記補(bǔ)償阻力,在保持小車的質(zhì)量不變的情況下,進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn),得到了如圖7所示的圖像,根據(jù)圖像可求得小車的質(zhì)量為_(kāi)_______ kg.
圖7
答案 (1)AB (2)2.36 (3)2
解析 (1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用時(shí)應(yīng)該先接通電源,再釋放小車,故A正確;實(shí)驗(yàn)時(shí)細(xì)線必須與木板平行,B正確;在鉤碼上方有力傳感器,可以直接測(cè)量細(xì)線上的拉力,所以不需要滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量,C錯(cuò)誤;補(bǔ)償阻力之后不需要重新補(bǔ)償阻力,D錯(cuò)誤.
(2)兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T=0.1 s,加速度:a=eq \f(xCD+xDE-xAB-xBC,4T2)=eq \f(xCE-xAC,4T2)=eq \f(?20.21-5.38-5.38?×10-2,4×0.12) m/s2≈2.36 m/s2
(3)在a-F圖像中,斜率表示小車質(zhì)量的倒數(shù),故
M=eq \f(1,k)=2 kg.
5.在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中,某同學(xué)使用了如圖8所示的裝置,木板放在水平桌面上,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)頻率為50 Hz.
圖8
(1)實(shí)驗(yàn)中得到如圖9所示的一段紙帶,每五個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),測(cè)得AB=7.65 cm,BC=10.17 cm,則實(shí)驗(yàn)測(cè)出小車的加速度大小為_(kāi)_______ m/s2.
圖9
(2)若直接按題中所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以沙和沙桶的總重力產(chǎn)生的拉力F為橫軸,通過(guò)紙帶分析得到的加速度a為縱軸,以下畫出的a-F圖像合理的是________.
(3)實(shí)驗(yàn)中,沙和沙桶的總重力________(填“大于”“小于”或“等于”)繩子對(duì)小車的拉力,為了讓沙和沙桶的總重力大小更接近繩子對(duì)小車的拉力,應(yīng)讓沙和沙桶的總質(zhì)量________(填“遠(yuǎn)大于”或“遠(yuǎn)小于”)小車的質(zhì)量.
(4)若第(2)問(wèn)中四個(gè)圖像中的圖線(B、C圖線中的直線部分)的斜率為k,則小車的質(zhì)量M=________.
答案 (1)2.52 (2)C (3)大于 遠(yuǎn)小于 (4)eq \f(1,k)
解析 (1)小車的加速度大小為
a=eq \f(xBC-xAB,T2)=eq \f(?10.17-7.65?×10-2,0.12) m/s2=2.52 m/s2.
(2)若直接按題圖所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),沒(méi)有補(bǔ)償阻力,則當(dāng)力F達(dá)到某一值時(shí)小車才有加速度,可知畫出的a-F圖像合理的是C.
(3)實(shí)驗(yàn)中,我們認(rèn)為繩子對(duì)小車的拉力的大小等于沙和沙桶(其總質(zhì)量為m)的總重力的大小,而實(shí)際上繩子的拉力FT=mg-ma,故繩子對(duì)小車的拉力小于沙和沙桶的總重力.為了讓沙和沙桶的總重力大小更接近繩子對(duì)小車的拉力大小,應(yīng)讓沙和沙桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量.
(4)由牛頓第二定律得a=eq \f(F,M)=eq \f(1,M)·F,則斜率k=eq \f(1,M),小車的質(zhì)量M=eq \f(1,k).
6.(2020·山西省長(zhǎng)治市第二中學(xué)高一開(kāi)學(xué)考試)為了探究質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的關(guān)系,一同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖10所示的實(shí)驗(yàn)裝置.其中M為帶滑輪的小車的質(zhì)量,m為砂和砂桶的質(zhì)量.(滑輪質(zhì)量不計(jì))
圖10
(1)實(shí)驗(yàn)時(shí),一定要進(jìn)行的操作是________.
A.用天平測(cè)出砂和砂桶的質(zhì)量
B.將帶滑輪的長(zhǎng)木板右端墊高,以補(bǔ)償阻力
C.小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再釋放小車,打出一條紙帶,同時(shí)記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)
D.改變砂和砂桶的質(zhì)量,打出幾條紙帶
E.為減小誤差,實(shí)驗(yàn)中一定要保證砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M
(2)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中得到如圖11所示的一條紙帶(兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有兩個(gè)點(diǎn)沒(méi)有畫出),已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器采用的是頻率為50 Hz的交流電,根據(jù)紙帶可求出小車的加速度為_(kāi)_______ m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).
圖11
(3)以彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F為橫軸,加速度為縱軸,畫出的a-F圖像是一條直線,如圖12所示,圖線與橫軸的夾角為θ,求得圖線的斜率為k,則小車的質(zhì)量為_(kāi)_______.
圖12
A.2tan θ B.eq \f(1,tan θ)
C.k D.eq \f(2,k)
答案 (1)BCD (2)1.3 (3)D
解析 (1)本題拉力可以由彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出,不需要用天平測(cè)出砂和砂桶的質(zhì)量,也就不需要使砂和砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量,故A、E錯(cuò)誤;該題是彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出拉力,從而表示小車受到的合外力,應(yīng)將帶滑輪的長(zhǎng)木板右端墊高,以補(bǔ)償阻力,故B正確;小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用時(shí),都是先接通電源,待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放紙帶,該實(shí)驗(yàn)探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系,要記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù),故C正確;改變砂和砂桶的質(zhì)量,即改變拉力的大小,打出幾條紙帶,研究加速度隨F變化的關(guān)系,故D正確.
(2)由于兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有兩個(gè)點(diǎn)沒(méi)有畫出,相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔T=0.06 s
根據(jù)逐差法Δx=aT2
可得小車加速度a=eq \f(x36-x03,9T2)=eq \f(?2.8+3.3+3.8-1.4-1.9-2.3?×10-2,9×0.062) m/s2≈1.3 m/s2
(3)由牛頓第二定律得2F=Ma
解得a=eq \f(2,M)F
a-F圖像的斜率為k=eq \f(2,M)
可得小車質(zhì)量為M=eq \f(2,k)
故A、B、C錯(cuò)誤,D正確.F/N
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
a/(m·s-2)
0.11
0.19
0.29
0.40
0.51
這是一份人教版 (2019)必修 第一冊(cè)3 牛頓第二定律導(dǎo)學(xué)案,共4頁(yè)。
這是一份人教版 (2019)必修 第一冊(cè)第四章 運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系綜合與測(cè)試學(xué)案,共9頁(yè)。
這是一份高中物理教科版 (2019)必修 第一冊(cè)3 牛頓第二定律導(dǎo)學(xué)案,共15頁(yè)。
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