第五章 交變電流


●本章概述


本章講述交變電流知識(shí)，是前面學(xué)過(guò)的電和磁的知識(shí)的發(fā)展和應(yīng)用，并且與生產(chǎn)和生活有密切關(guān)系.


本章重點(diǎn)內(nèi)容是：交變電流的產(chǎn)生原理和變化規(guī)律，交變電流的性質(zhì)和特點(diǎn)，變壓器的工作原理，交變電流的傳輸及應(yīng)用.這些知識(shí)點(diǎn)是高考命題率較高的知識(shí)點(diǎn).


與直流電相比，交變電流有許多優(yōu)點(diǎn)，交變電流可以利用升壓變壓器升高或降低電壓，便于遠(yuǎn)距離輸送，可以驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行可靠的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。


為了有利學(xué)生學(xué)習(xí)交流電的特點(diǎn)，更好的區(qū)分交流與直流，本章還介紹了電感和電容在交變電流中的作用，使學(xué)生了解感抗與容抗的有關(guān)知識(shí).


本章可分為三個(gè)單元：


第一單元：第一節(jié)和第二節(jié)，講交變電流的產(chǎn)生和描述.


第二單元：第三節(jié)，講電感和電容對(duì)交變電流的作用.


第三單元：第四節(jié)和第五節(jié)，講變壓器和電能的輸送.


第一節(jié) 交變電流


●本節(jié)教材分析


為了適應(yīng)學(xué)生的接受能力，教材采取從感性到理性、從定性到定量逐漸深入的方法講述這個(gè)問(wèn)題.教材先用教具演示矩形線(xiàn)圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生交流電，以展示交流電是怎樣產(chǎn)生的.并強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生觀(guān)察教材圖17—2所示線(xiàn)圈通過(guò)五個(gè)特殊位置時(shí)，電流表指針變化的情況，分析電動(dòng)勢(shì)和電流方向的變化，這樣學(xué)生就會(huì)對(duì)電動(dòng)勢(shì)和電流的變化情況有個(gè)大致的了解.然后讓學(xué)生用右手定則獨(dú)立分析線(xiàn)圈中電動(dòng)勢(shì)和電流的方向.這樣能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察和分析能力.


關(guān)于交變電流的變化規(guī)律,教材利用上章學(xué)過(guò)的法拉第電磁感應(yīng)定律引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推導(dǎo),得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值和最大值的表達(dá)式,進(jìn)而根據(jù)閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律推出電流與電壓瞬時(shí)值與最大值的表達(dá)式.


用圖表表示交流電的變化規(guī)律是一種重要的方法,這種方法直觀(guān)、形象,學(xué)生容易接受.這樣做也是為后面用圖象表示三相交流電準(zhǔn)備條件,在電磁波的教學(xué)中還要用到圖象的方法.在介紹了交流電的周期和頻率后,可通過(guò)練習(xí)鞏固學(xué)生對(duì)交流電圖象的認(rèn)識(shí).


在本節(jié)學(xué)生第一次接觸到許多新名詞,如:交流電、正弦交流電、中性面、瞬時(shí)值、最大值等.要讓學(xué)生搞清楚這些名詞的準(zhǔn)確含義.要使學(xué)生了解交流電有許多種,正弦交流電是其中簡(jiǎn)單的一種,在本章教材中常把正弦交流電簡(jiǎn)稱(chēng)交流電.要使學(xué)生明確中性面是指與磁場(chǎng)方向垂直的平面.中性面的特點(diǎn)是:線(xiàn)圈位于中性面時(shí),電動(dòng)勢(shì)為零;線(xiàn)圈通過(guò)中性面時(shí),電動(dòng)勢(shì)的方向要改變.要向?qū)W生指出,一般科技書(shū)中都用小寫(xiě)字母表示瞬時(shí)值,用大寫(xiě)字母并加腳標(biāo)，m表示最大值.


●教學(xué)目標(biāo)


一、知識(shí)目標(biāo)


1.使學(xué)生理解交變電流的產(chǎn)生原理，知道什么是中性面.


2.掌握交變電流的變化規(guī)律及表示方法.


3.理解交變電流的瞬時(shí)值和最大值及中性面的準(zhǔn)確含義.


二、技能目標(biāo)


1.掌握描述物理量的三種基本方法（文字法、公式法、圖象法）.


2.培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察能力，空間想象能力以及將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖形的能力.


3.培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力.


三、情感態(tài)度目標(biāo)


培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思想.


●教學(xué)重點(diǎn)


交變電流產(chǎn)生的物理過(guò)程的分析.


●教學(xué)難點(diǎn)


交變電流的變化規(guī)律及應(yīng)用.


●教學(xué)方法


演示法、分析法、歸納法.


●教學(xué)用具


手搖單相發(fā)電機(jī)、小燈泡、示波器、多媒體教學(xué)課件、示教用大的電流表.


●課時(shí)安排


1課時(shí)


●教學(xué)過(guò)程


一、引入新課


［師］出示單相交流發(fā)電機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生首先觀(guān)察它的主要構(gòu)造.


［演示］將手搖發(fā)電機(jī)模型與小燈泡組成閉合電路.當(dāng)線(xiàn)框


快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，觀(guān)察到什么現(xiàn)象?


［生］小燈泡一閃一閃的.


［師］再將手搖發(fā)電機(jī)模型與示教電流表組成閉合電路,當(dāng)線(xiàn)框緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)(或快速擺動(dòng))時(shí),觀(guān)察到什么?


［生］電流表指針左右擺動(dòng).


［師］線(xiàn)圈里產(chǎn)生的是什么樣的電流？請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材后回答.


［生］轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)圈里產(chǎn)生了大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的交變電流.


［師］現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中大都使用交流電.交流電有許多優(yōu)點(diǎn)，今天我們學(xué)習(xí)交流電的產(chǎn)生和變化規(guī)律.


二、新課教學(xué)


1.交變電流的產(chǎn)生


［師］為什么矩形線(xiàn)圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線(xiàn)圈里能產(chǎn)生交變電流？


［生］對(duì)這個(gè)問(wèn)題有濃厚的興趣,討論熱烈.


［師］多媒體課件打出下圖.當(dāng)abcd線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),哪些邊切割磁感線(xiàn)?





［生］ab與cd.


［師］當(dāng)ab邊向右、cd邊向左運(yùn)動(dòng)時(shí),線(xiàn)圈中感應(yīng)電流的方向如何?


［生］感應(yīng)電流是沿著a→b→c→d→a方向流動(dòng)的.


［師］當(dāng)ab邊向左、cd邊向右運(yùn)動(dòng)時(shí),線(xiàn)圈中感應(yīng)電流的方向如何?


［生］感應(yīng)電流是沿著d→c→b→a→d方向流動(dòng)的.


［師］正是這兩種情況交替出現(xiàn),在線(xiàn)圈中產(chǎn)生了交變電流.當(dāng)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大?


［生］線(xiàn)圈平面與磁感線(xiàn)平行時(shí),ab邊與cd邊線(xiàn)速度方向都跟磁感線(xiàn)方向垂直,即兩邊都垂直切割磁感線(xiàn),此時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大.


［師］線(xiàn)圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小?


［生］當(dāng)線(xiàn)圈平面跟磁感線(xiàn)垂直時(shí),ab邊和cd邊線(xiàn)速度方向都跟磁感線(xiàn)平行,即不切割磁感線(xiàn),此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零.


［師］利用多媒體課件,屏幕上打出中性面概念:


(1)中性面——線(xiàn)框平面與磁感線(xiàn)垂直位置.


(2)線(xiàn)圈處于中性面位置時(shí),穿過(guò)線(xiàn)圈Φ最大,但=0.


(3)線(xiàn)圈越過(guò)中性面,線(xiàn)圈中I感方向要改變.線(xiàn)圈轉(zhuǎn)一周,感應(yīng)電流方向改變兩次.


2.交變電流的變化規(guī)律





設(shè)線(xiàn)圈平面從中性面開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),角速度是ω.經(jīng)過(guò)時(shí)間t,線(xiàn)圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度是ωt,ab邊的線(xiàn)速度v的方向跟磁感線(xiàn)方向間的夾角也等于ωt,如右圖所示.設(shè)ab邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1,bc邊長(zhǎng)L2,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,這時(shí)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大?


［生］eab=BL1vsinωt=BL1·ωsinωt=BL1L2sinωt


［師］cd邊中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)跟ab邊中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相同,又是串聯(lián)在一起,此時(shí)整個(gè)線(xiàn)框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大?


［生］e=eab+ecd=BL1L2ωsinωt


［師］若線(xiàn)圈有N匝時(shí),相當(dāng)于N個(gè)完全相同的電源串聯(lián),e=NBL1L2ωsinωt,令Em=NBL1L2ω,叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值,e叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值.請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材,了解感應(yīng)電流的最大值和瞬時(shí)值.


［生］根據(jù)閉合電路歐姆定律,感應(yīng)電流的最大值Im=,感應(yīng)電流的瞬時(shí)值i=Imsinωt.


［師］電路的某一段上電壓的瞬時(shí)值與最大值等于什么?


［生］根據(jù)部分電路歐姆定律,電壓的最大值Um=ImR,電壓的瞬時(shí)值U=Umsinωt.


［師］電動(dòng)勢(shì)、電流與電壓的瞬時(shí)值與時(shí)間的關(guān)系可以用正弦曲線(xiàn)來(lái)表示,如下圖所示:





3.幾種常見(jiàn)的交變電波形





三、小結(jié)


本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題：


1.矩形線(xiàn)圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈中產(chǎn)生正弦式交變電流.


2.從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值的表達(dá)式為e=NBSωsinω t,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em=NBSω.


3.中性面的特點(diǎn)：磁通量最大為Φm，但e=0.


四、作業(yè)（略）


五、板書(shū)設(shè)計(jì)





六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)


1.一矩形線(xiàn)圈，繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)并位于線(xiàn)圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E隨時(shí)間t的變化如圖所示，則下列說(shuō)法中正確的是





A.t1時(shí)刻通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量為零


B.t2時(shí)刻通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量的絕對(duì)值最大


C.t3時(shí)刻通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量變化率的絕對(duì)值最大


D.每當(dāng)電動(dòng)勢(shì)E變換方向時(shí)，通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量的絕對(duì)值都為最大


2.一臺(tái)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的按正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為311 V，線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度是100π rad/s.


（1）寫(xiě)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式.


（2）若該發(fā)電機(jī)只與含電阻的負(fù)載組成閉合電路，電路中的總電阻為100 Ω，試寫(xiě)出通過(guò)負(fù)載的電流強(qiáng)度的瞬時(shí)表達(dá)式.在t= s時(shí)電流強(qiáng)度的瞬時(shí)值為多少？


3.一個(gè)矩形線(xiàn)圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生交流電壓為u=220sin100πt V，則


A.它的頻率是50 Hz


B.當(dāng)t=0時(shí)，線(xiàn)圈平面與中性面重合


C.電壓的平均值是220 V


D.當(dāng)t= s時(shí)，電壓達(dá)到最大值


4.交流發(fā)電機(jī)工作時(shí)的電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律為e=Emsinω t，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n提高1倍，其他條件不變，則電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律將變化為


A.e=Emsin2ω t


B.e=2Emsin2ω t


C.e=2Emsin4ω t


D.e=2Emsinω t


參考答案：


1.D


2.解析：因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)的最大值Em=311 V，角速度ω=100 π rad/s，所以電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式是e=311sin100π t V.


根據(jù)歐姆定律，電路中電流強(qiáng)度的最大值為Im= A=3.11 A，所以通過(guò)負(fù)載的電流強(qiáng)度的瞬時(shí)值表達(dá)式是i=3.11sin100π t A.


當(dāng)t= s時(shí)，電流的瞬時(shí)值為


i=3.11sin(100π·)=3.11×A=1.55 A.


3.ABD


4.B


●備課資料


1.抽水蓄能發(fā)電


電被稱(chēng)為現(xiàn)代文明的血液.一天當(dāng)中的不同時(shí)段,比如生產(chǎn)、生活最忙碌的時(shí)候,與夜晚夜深人靜之際,對(duì)電的使用量往往相差十分懸殊.而電力又不能直接大量貯存.這就要求電網(wǎng)具有靈活的調(diào)節(jié)能力,在高峰時(shí)增加供電,而在低谷時(shí)又減少供電.否則電網(wǎng)的電壓就會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)不符,不僅用戶(hù)無(wú)法正常用電,電網(wǎng)的運(yùn)行安全也會(huì)受到威脅.


水電、火電、核電是目前電網(wǎng)大規(guī)模發(fā)電的主要形式,也是電網(wǎng)調(diào)節(jié)的主要形式.其中水電機(jī)組開(kāi)停機(jī)迅速,調(diào)節(jié)能力最強(qiáng);而火電機(jī)組從開(kāi)機(jī)到滿(mǎn)負(fù)荷工作或反之運(yùn)行的時(shí)間往往需要近10個(gè)小時(shí),跟不上網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷變化,調(diào)節(jié)能力很差;而核電機(jī)組由于技術(shù)和安全方面的原因,基本上沒(méi)有調(diào)節(jié)能力.


華北電網(wǎng)占裝機(jī)容量97%以上的是火電機(jī)組.華北屬于缺電地區(qū),用電高峰時(shí)全部機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行也難以滿(mǎn)足用電需求,所以不得不頻繁地拉閘限電;而在低谷時(shí)電網(wǎng)內(nèi)又有大量過(guò)剩的電能需要削減.那么,是否可以把低谷的剩余電量貯存起來(lái),補(bǔ)充高峰時(shí)的供電不足,從而提高華北電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力呢?


循著這樣的思路,1992年9月,十三陵抽水蓄能電站破土動(dòng)工了.從工程結(jié)構(gòu)上說(shuō),抽水蓄能電站包括兩個(gè)具有水平垂直高差的水庫(kù),分別叫作上水庫(kù)和下水庫(kù).十三陵抽水蓄能電站的下水庫(kù)是早已建成的十三陵水庫(kù);上水庫(kù)建在十三陵水庫(kù)左岸蟒山后面的上寺溝內(nèi).上下水庫(kù)間的落差有480 m.上水庫(kù)的總庫(kù)容為400萬(wàn)立方米.上下水庫(kù)之間的山體內(nèi)建有地下廠(chǎng)房和附屬洞室,裝備了既可做水泵也可做水輪機(jī)運(yùn)行的蓄能機(jī)組.十三陵抽水蓄能電站的地下廠(chǎng)房面積為4000 m2,它裝備的是4臺(tái)20萬(wàn)kW的水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組.連接上下水庫(kù)和地下廠(chǎng)房的水道系統(tǒng)主要由進(jìn)出水口、調(diào)壓節(jié)隧洞以及隧洞內(nèi)鋪設(shè)的巨大的高壓管道組成.


抽水蓄能電站是依照能量轉(zhuǎn)換原理工作的.在午夜之后的用電低谷蓄能機(jī)組做水泵運(yùn)行,用電網(wǎng)內(nèi)多余的電能把水庫(kù)的水抽到上水庫(kù),把電能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能貯存起來(lái);在用電高峰時(shí),機(jī)組又成為發(fā)電機(jī),由上水庫(kù)向下水庫(kù)放水,像常規(guī)水電站一樣,把水的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成電能,返送回電網(wǎng)補(bǔ)充供電的不足.這樣,在蓄水放水,耗電發(fā)電的循環(huán)過(guò)程中,電站對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的高峰和低谷起到調(diào)節(jié)作用.


十三陵抽水蓄能電站建成后,每年可吸收16.5億千瓦時(shí)的低谷剩余電量,提供12億千瓦時(shí)的高峰電量.如果按1千瓦時(shí)高峰電量可創(chuàng)4~6元產(chǎn)值計(jì)算,每年可創(chuàng)社會(huì)產(chǎn)值50~70億元.更重要的是抽水蓄能電站增強(qiáng)了華北電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力,保證了整個(gè)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.


目前抽水蓄能發(fā)電在我國(guó)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭.除十三陵抽水蓄能電站外,全國(guó)還有好幾個(gè)抽水蓄能電站,有的正在興建中,有的已經(jīng)投入運(yùn)行.


2.崛起的新能源——核電


電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈.目前世界電力主要由火電、水電和核電構(gòu)成.火電是靠燃燒煤、石油等化石燃料獲得的.作為不可再生的自然資源,化石燃料儲(chǔ)量有限,而且都是重要的化工和輕紡工業(yè)原料.化石燃料的燃燒還會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大污染,是造成“酸雨”“溫室效應(yīng)”等環(huán)境問(wèn)題的元兇.水電是可再生資源,而且不會(huì)污染環(huán)境,但它的限制條件較多,如水資源分布不均,水流量的季節(jié)變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量的變化.只有核電能夠既滿(mǎn)足電力需求,又不污染環(huán)境.


自1954年蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站至今,全球已有30多個(gè)國(guó)家建起了440多臺(tái)機(jī)組,總裝機(jī)容量達(dá)到3億多千瓦,其中法國(guó)、美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的核電都超過(guò)本國(guó)總發(fā)電量的20%,法國(guó)甚至達(dá)到70%以上.


作為一個(gè)人口眾多的發(fā)展中國(guó)家,我國(guó)的電力工業(yè)一直在穩(wěn)步發(fā)展,裝機(jī)容量和年發(fā)電量分別排世界第四位和第三位.但人均發(fā)電量排在世界第80位,僅為世界平均水平的1/3.1996年全國(guó)電力缺口在20%左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求.我國(guó)將近70%的煤炭資源分布在華北和西北,工業(yè)發(fā)達(dá)和人口密集的東南沿海地區(qū)的煤炭和水力資源都很匱乏,國(guó)家每年都要投入巨資進(jìn)行“北煤南運(yùn)”.我國(guó)初步規(guī)劃2000~2020年新增裝機(jī)容量5億千瓦.如果全部建成火電站發(fā)電用煤需要13億噸,這無(wú)論從煤的新增產(chǎn)量、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸,還是從生態(tài)環(huán)境等各方面看,都存在巨大困難,可以說(shuō)發(fā)展核電是中國(guó)解決能源問(wèn)題的一條重要途徑.


有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè),21世紀(jì)將是中國(guó)核電大發(fā)展的時(shí)期.1991年中國(guó)大陸實(shí)現(xiàn)了核電零的突破.現(xiàn)在已有兩座核電站3臺(tái)核電機(jī)組共210萬(wàn)千瓦裝機(jī)容量,其發(fā)電量占全國(guó)發(fā)電總量的1.27%.國(guó)家“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃目標(biāo)綱要指出:貫徹因地制宜、水火并舉,適當(dāng)發(fā)展核電的方針.計(jì)劃到2010年投運(yùn)的核電站總裝機(jī)容量達(dá)到2000萬(wàn)千瓦左右.目前,東南沿海地區(qū)都把建造核電站作為解決當(dāng)?shù)啬茉磫?wèn)題的重要途徑,對(duì)發(fā)展核電有很高的積極性.


秦山核電站和大亞灣核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行為中國(guó)的核電發(fā)展開(kāi)了個(gè)好頭，已充分顯示了核電安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越性.“九五”期間，我國(guó)計(jì)劃建造的四座核電站八臺(tái)機(jī)組共660萬(wàn)千瓦,現(xiàn)已全面開(kāi)始建造.可以說(shuō)，發(fā)展核電已成為我國(guó)能源政策的一部分，作為20世紀(jì)中葉崛起的新能源，它在中國(guó)有著光明的發(fā)展前景.





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高中物理人教版 (新課標(biāo))選修3電子課本

1 交變電流

版本： 人教版 (新課標(biāo))

年級(jí)： 選修3

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