第1节 静电的产生及其微观解释
[核心素养·明目标]
核心素养 学习目标
物理观念 知道两种电荷、电荷量的概念及其单位,知道三种起电方式及电荷守恒定律,能解释简单的静电现象。
科学思维 掌握三种起电的实质,理解电荷守恒定律,能用原子结构模型和电荷守恒定律分析静电现象解决简单的问题。
科学探究 会做探究感应起电的实验,会分析静电感应现象。
科学态度与责任 通过对三种起电方式的学习和对电荷守恒定律的理解,养成观察、比较、归纳分析的良好的科学态度。
知识点一 静电的产生
1.三种起电方式(如图所示)
(1)摩擦起电。(2)接触起电。(3)感应起电。
2.电荷的性质
(1)用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电;用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电。
(2)同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。
3.静电感应:受附近带电体的影响而使导体上的电荷重新分布的现象。
三种起电的实质都是电子的转移。自然界中只有两种电荷:正电荷和负电荷。
1:思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)一导体靠近带正电的物体,其靠近端带负电。 (√)
(2)带电体靠近导体,导体感应起电,拿走带电体,导体仍然带电。 (×)
(3)玻璃棒和丝绸摩擦后玻璃棒带正电说明丝绸上的正电荷移动到玻璃棒上。 (×)
知识点二 产生静电的微观解释
1.原子结构:物质由分子、原子等微粒组成。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成。原子核由呈电中性的中子和带正电的质子组成。原子的电子数与质子数相等,因此物体不显电性。
2.电荷守恒定律:电荷既不能被创造,也不能被消灭,只能从物体的一部分转移到另一部分,或者从一个物体转移到另一个物体。在转移的过程中,电荷的总量不变。
3.物体带电
(1)实质:电荷发生转移,电荷总量保持不变。
(2)结果:失去电子的物体带正电,得到电子的物体带负电。
“电荷的中和”是指电荷的种类和数量达到异号、等量,这时正、负电荷的代数和为0。
2:思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)元电荷就是电子。 (×)
(2)原来不带电的丝绸和玻璃棒相互摩擦后分别带上了异种电荷,说明通过摩擦可以创造电荷。 (×)
3:填空
有两个相同的绝缘金属小球A、B,其中小球A带有3×10-3 C的正电荷,小球B带有1×10-3 C的负电荷。当把A、B球接触后再分开,A球带1×10-3 C的正电荷,B球带1×10-3 C的正电荷。
考点1 三种起电方式
验电器
从18世纪起,人们开始经常使用 一种叫作验电器的简单装置来检测物体是否带电。玻璃瓶内有两片金属箔,用金属丝挂在一根导体棒的下端,棒的上端穿过绝缘的瓶塞从瓶口伸出(图甲)。如果把金属箔换成指针,并用金属制作外壳,这样的验电器又叫作静电计(图乙)。
甲 乙
验电器和静电计
观察:(1)当带电体靠近导体棒的上端时,金属箔片是否张开?
(2)产生该现象的原因是什么?
提示:(1)张开。(2)产生了静电感应,两金属箔片带同种电荷受排斥力而张开。
1.三种起电方式的比较
摩擦起电 感应起电 接触起电
产生条件 两种物体相互摩擦 导体靠近带电体 导体与带电体接触
现象 两物体带上等量异种电荷 导体两端出现等量异种电荷,且电性与原带电体“近异远同” 导体带上与带电体相同电性的电荷
原因 不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同而发生电子得失 导体中的自由电子受带正(负)电物体吸引(排斥)而靠近(远离) 自由电荷在带电体与导体之间发生转移
2.三种起电方式的本质
三种起电方式都不是创造了电荷,只是电荷从一个物体转移到了另一个物体,或者从物体的一部分转移到了另一部分,它们的本质都是电荷的转移,电荷总量保持不变。
摩擦起电
【典例1】 (多选)关于摩擦起电现象,下列说法中正确的是( )
A.摩擦起电使本没有电子和质子的物体中产生了电子和质子
B.两种不同材料的绝缘体互相摩擦后,同时带上等量异种电荷
C.摩擦起电,可能是摩擦时导致质子从一个物体转移到了另一个物体而形成的
D.丝绸摩擦玻璃棒时,电子从玻璃棒上转移到丝绸上,玻璃棒因质子数多于电子数而显示带正电
BD [摩擦起电实质是由于两个物体的原子核对核外电子的约束能力不相同,因而电子可以在物体间转移。若一个物体失去电子,其质子数比电子数多,我们说它带正电;若一个物体得到电子,其质子数比电子数少,我们说它带负电,使物体带电并不是创造出了电荷,故B、D正确,A、C错误。]
感应起电
【典例2】 如图所示,A、B是两个带有绝缘支架的金属球,它们原来均不带电,并彼此接触。现使带负电的橡胶棒C靠近A(C与A不接触),然后先将A、B分开,再将C移走。关于A、B的带电情况,下列判断正确的是( )
A.A带正电,B带负电 B.A带负电,B带正电
C.A、B均不带电 D.A、B均带负电
思路点拨:(1)“带负电的橡胶棒C靠近A”发生的应是感应起电现象。(2)“先将A、B分开,再移走C”,A、B将带等量异种电荷。
A [带负电的橡胶棒C靠近A,金属球A和B由于感应起电带上异种电荷,由于同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,所以此时A带正电,B带负电,先将金属球A和B分开,再移走C,则A和B的电荷不能中和,最终A带正电,B带负电,选项A正确。]
感应起电的判断方法
(1)当带电体靠近导体时,导体靠近带电体的一端带异种电荷,远离带电体的一端带同种电荷,如图甲所示。
(2)导体接地时,该导体与地球可视为一个导体,而且该导体可视为近端导体,带异种电荷,地球就成为远端导体,带同种电荷,如图乙、丙所示。
甲 乙 丙
[跟进训练]
角度一 摩擦起电
1.使物体带电的方式有三种:摩擦起电、接触起电和感应起电。下列关于使物体带电的方式的论述中,正确的是( )
A.用毛皮摩擦橡胶棒时,毛皮和橡胶棒都带上了负电荷
B.用丝绸摩擦玻璃棒时,丝绸上的电子因摩擦而转移到了玻璃棒上
C.摩擦起电和感应起电都是两个或几个物体接触时发生的
D.接触起电和感应起电都是电荷的转移而非电荷的创造
D [用毛皮摩擦橡胶棒时,毛皮上的电子因摩擦而转移到了橡胶棒上,可见毛皮失去电子带上了正电荷,橡胶棒得到电子带上了负电荷,A错误;用丝绸摩擦玻璃棒时,玻璃棒上的电子因摩擦而转移到了丝绸上,B错误;摩擦起电和接触起电都是两个或几个物体接触时发生的,而感应起电不是接触时产生的,C错误;电荷不是凭空产生的,接触起电和感应起电都是电荷的转移而非电荷的创造,D正确。]
角度二 感应起电
2.如图所示,用一根跟毛皮摩擦过的硬橡胶棒,靠近不带电的验电器的金属小球a,然后用手指瞬间接触一下金属杆c后拿开橡胶棒,这时验电器小球a和金箔b的带电情况是( )
A.a带正电,b带负电 B.a带负电,b带正电
C.a、b均带正电 D.a、b均带负电
C [毛皮摩擦过的硬橡胶棒带负电荷,靠近不带电的验电器的小球时,发生静电感应,从而使小球a端感应出了正电荷,b端感应了负电荷。当用手接触金属杆时,导走了负电荷,拿掉橡胶棒后,正电荷不再被橡胶棒的负电荷吸引,分布到小球和金属杆及验电器的金属箔片上,所以C正确。]
考点2 对电荷守恒的理解与应用
如图所示,左边是一个原先不带电的导体,右边C是后来靠近导体的带正电金属球。若用绝缘工具沿图示某条虚线将导体切开,分导体为A、B两部分,这两部分所带电荷量的数值分别为QA、QB。
试探究:(1)QA与QB的电性?
(2)QA与QB的大小关系?
提示:(1)QA带正电荷,QB带负电荷。
(2)QA与QB的数值总相等,原因是电荷总量是守恒的。
1.对“中性”与“中和”的理解
(1)中性:物体内有电荷存在,但正、负电荷的绝对值相等,对外不显电性。
(2)中和:两个带有等量异种电荷的带电体相接触达到电中性的过程。
2.电荷守恒定律的两种描述
(1)表述一:电荷既不会被创造,也不会被消灭,只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中,电荷的总量保持不变。
(2)表述二:一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和保持不变。
3.对电荷守恒定律的理解
(1)电荷守恒定律是自然界重要的基本定律之一。
(2)“总量”的含义,指电荷的代数和。
(3)两个物体之间或物体的两部分之间能够转移的是自由电荷。
(4)起电过程的实质是物体中正、负电荷的分离和转移。
(5)电荷中和的实质是正、负电荷的结合。
(6)在分离、转移、结合等过程中,电荷的总量保持不变。
4.两金属导体接触后电荷量的分配规律
(1)当两个带电导体材料、形状不同时,接触后再分开,若无中和,则只能使两者均带电,但无法确定电荷量的多少。
(2)若两个完全相同的金属球带电荷量大小分别为q1、q2,则有
①
②
【典例3】 有两个完全相同的带电绝缘金属小球A、B,分别带有电荷量QA=6.4×10-9 C,QB=-3.2×10-9 C,让两绝缘金属小球接触。在接触后,A、B带电荷量各是多少?此过程中电子发生了怎样的转移,转移了多少电荷量?
思路点拨:(1)A、B两小球带异种电荷,接触后要先中和后平分。
(2)电子在转移过程中电荷总量保持不变。
[解析] 接触后两小球带电荷量QA′=QB′== C=1.6×10-9 C,在接触过程中,电子由B球转移到A球,不仅将自身电荷中和,且继续转移,使B球带QB′的正电荷。这样,共转移的电子电荷量为:
ΔQ=QB-QB′=(-3.2×10-9-1.6×10-9) C=-4.8×10-9 C。
[答案] 均为1.6×10-9 C 电子由B球转移到了A球,转移了4.8×10-9 C电荷量
用电荷量分配原则解题时的注意事项
(1)电荷均分的前提条件是两导体完全相同。
(2)不同的导体接触后再分开,每个导体上所带电荷量不满足平均分配规律,所带电荷量与导体大小、形状有关。
[跟进训练]
3.(多选)把两个完全相同的金属球A和B接触一下,再分开一段距离,发现两球之间相互排斥。则A、B两球原来的带电情况可能是( )
A.带有等量异种电荷
B.带有不等量异种电荷
C.带有等量同种电荷
D.一个带电,另一个不带电
BCD [两个完全相同的金属球若带有等量的异种电荷,接触后将均不带电,若带不等量异种电荷,或带同种电荷,或一个带电,另一个不带电,接触后均带同种电荷,两球间存在相互排斥力,故B、C、D正确,A错误。]
1.如图所示,在用丝绸摩擦玻璃棒起电的过程中( )
A.通过摩擦创造了电荷
B.丝绸得到电子带负电
C.玻璃棒得到电子带正电
D.玻璃棒带正电,丝绸不带电
B [用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,其原因是玻璃棒的原子核束缚电子的能力较弱,使一部分电子从玻璃棒上转移到丝绸上,丝绸得到电子带负电,玻璃棒因失去电子而带正电,选项B正确。]
2.(多选)一带负电的绝缘金属小球被放在潮湿的空气中,经过一段时间后,发现该小球上带的负电荷几乎不存在了。这说明( )
A.小球上原有的负电荷彻底消失了
B.在此现象中,电荷不守恒
C.小球上负电荷减少的主要原因是潮湿的空气将电子导走了
D.该现象是由电子转移引起的,仍然遵循电荷守恒定律
CD [绝缘金属小球上的负电荷减少是由于电子通过潮湿的空气转移到外界,但是这些电子并没有消失,对小球和整个外界组成的系统而言,其电荷的总量仍保持不变,仍遵循电荷守恒定律,故A、B错误,C、D正确。]
3.如图所示,用起电机使金属球A带正电,靠近验电器B,则( )
A.验电器的金属箔片不张开,因为球A没有和B接触
B.验电器的金属箔片张开,因为整个验电器都带上了正电
C.验电器的金属箔片张开,因为整个验电器都带上了负电
D.验电器的金属箔片张开,因为验电器下部的两金属箔片都带上了正电
D [带正电的A球靠近验电器B,据电荷“同性斥、异性吸”的特点知,验电器金属杆下端金属箔片中的电子会被A球上的正电荷吸引到验电器上端,则金属杆下端的金属箔片就会因带正电荷而相斥,使箔片张开,故D正确。]
4.(新情境题,以“人走地毯”为背景,考查电荷守恒定律)
干燥的天气一个人脱了鞋在地毯上走,身上聚集了-4.8×10-5C的电荷。
若电子质量me=9.1×10-31kg,电子电荷量e=-1.6×10-19C。则:
(1)多少个电子的电荷量等于-3.2×10-5C
(2)此人身上有多少个剩余电子?
(3)他的质量增加了多少?
[解析] (1)每个电子电荷量为e=-1.6×10-19C,
则-3.2×10-5C的电荷量需要的电子为
n==2×1014(个)。
(2)此人身上有电子数为
n′==3×1014(个)。
(3)电子质量me=9.1×10-31kg,
所以他的质量增加m=3×1014×9.1×10-31kg=2.73×10-16kg。
[答案] (1)2×1014个 (2)3×1014个 (3)2.73×10-16kg
回归本节知识,自我完成以下问题:
1.自然界中有几种电荷?分别是什么电荷?它们间相互作用的规律是什么?
提示:两种;正电荷和负电荷;同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。
2.试写出三种起电方式?
提示:摩擦起电、接触起电、感应起电。
3.请写出电荷守恒定律的内容?
提示:电荷不能被创造,也不能被消灭,只能从物体的一部分转移到另一部分,或者从一个物体转移到另一个物体。在转移的过程中,电荷的总量不变。
9/10课后素养落实(一) 静电的产生及其微观解释
(建议用时:40分钟)
◎题组一 三种起电方式
1.如果天气干燥,晚上脱毛衣时,会听到“噼啪”的响声,还会看到电火花,关于这种现象产生的原因,下列说法正确的是( )
A.人身体上产生电流
B.接触带电造成的
C.摩擦起电造成的
D.感应起电造成的
C [脱毛衣时由于摩擦起电,衣服间产生异种电荷,当电荷积累到一定程度时,会产生电火花,并伴有“噼啪”声,选项C正确,A、B、D错误。]
2.绝缘细线上端固定,下端挂一轻质小球a,a的表面镀有铝膜;在a的旁边有一绝缘金属球b,开始时a、b都不带电,如图所示,现使b带电,则( )
A.b将吸引a,吸住后不放开
B.b先吸引a,接触后又把a排斥开
C.a、b之间不发生相互作用
D.b立即把a排斥开
B [b球带电后,使a产生静电感应,感应的结果是a靠近b的一侧出现与b异种的感应电荷,远离b的一侧出现与b同种的感应电荷。虽然a上的感应电荷等量异号,但因为异种电荷离b更近,所以b对a的电场力为吸引力。当b吸引a使两者接触后,由于接触带电,b、a又带上同种电荷,有排斥力作用,因而又把a排斥开,所以B项正确。]
3.如图所示,把一个带正电的金属球靠近绝缘支架上的不带电的接地导体,最终该接地导体( )
A.左端带负电荷,右端带正电荷
B.左端不带电荷,右端带正电荷
C.左端带负电荷,右端不带电荷
D.若将带正电的金属球先移走,再去掉接地线,原来不带电的导体带负电
C [根据静电感应的规律,导体与大地连成一个整体,离金属球近的导体左端将感应出负电荷,离金属球远的一端是大地,而不是导体的右端,所以导体右端不带电荷,故A、B均错误,C正确;若将带正电的金属球先移走,则导体左端的负电荷立即与大地的正电荷中和,去掉接地线后,导体不带电,故D错误。]
4.(多选)如图所示为科技馆里一个趣味体验项目的简化图,核心装置为一个金属球,在干燥的空气里,体验者双脚站在绝缘凳上,右手按在金属球上,并远离周围其他物体。一条特殊传送带(图中未画出)给金属球不断地输送电荷,过一段时间后,体验者的头发便会四处散开,甚至倒立,十分有趣,在此状态下,下列分析正确的是( )
A.若用左手也去摸金属球,会被电击
B.若用左手与旁边的观众握手,会被电击
C.若右手离开金属球,则头发会立刻恢复常态
D.若右手离开金属球而且走下绝缘凳,头发会立刻恢复常态
BD [若用左手也去摸金属球,不会有电流产生,不会被电击,选项A错误;若用左手与旁边的观众握手,会发生放电现象而被电击,选项B正确;若右手离开金属球,电荷不会转移,则头发仍然四处散开,选项C错误;若右手离开金属球而且走下绝缘凳,则电荷将进入大地,人体将不再带电,头发会立刻恢复常态,选项D正确。]
◎题组二 对电荷守恒的理解与应用
5.两金属小球所带电荷量分别为+3Q和-Q,将两小球接触后,它们所带的电荷量总共为( )
A.+3Q B.+2Q
C.+Q D.-Q
B [由电荷守恒定律知,两小球接触后带电荷量的总量为中和后剩余量,即Q总=+3Q-Q=+2Q,故选项B正确。]
6.M和N是两个都不带电的物体。它们互相摩擦后,M带正电荷1.60×10-19 C,下列判断正确的有( )
A.在摩擦前M和N的内部没有任何电荷
B.摩擦过程中电子从N转移到M
C.N在摩擦后一定带负电荷1.60×10-19 C
D.N在摩擦过程中失去1.60×10-19 C个电子
C [M和N相互摩擦,M带正电是因为M对核外电子的束缚能力小而失去核外电子的结果;由于电荷守恒,故N一定带等量的负电荷,选项C正确。]
7.下列说法正确的是( )
A.物体所带的电荷量可以为任意实数
B.不带电的物体上,既没有正电荷也没有负电荷
C.摩擦起电过程,是靠摩擦产生了电荷
D.利用静电感应使金属导体带电,实质上是导体中的自由电子趋向或远离带电体
D [元电荷所带的电荷量为1.60×10-19 C,物体所带电荷量均是元电荷的整数倍,选项A错误;物体不带电,是由于其内部正、负电荷的电荷量相等,对外不显电性,选项B错误;电荷既不能被创造,也不能被消灭,摩擦起电同样不能创造电荷,是一个物体失去电子、另一个物体得到电子的过程,选项C错误;自由电子是金属导体中的自由电荷,在带电体的作用下,导体中的自由电子会趋向或远离带电体,使导体两端带等量异种电荷,选项D正确。]
8.(多选)已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的,它们的电荷量如表所示,表中e为元电荷。
粒子 π+ π- u d
带电荷量 +e -e +e -e -e +e
下列说法中正确的是( )
A.π+介子由u和组成
B.π+介子由d和组成
C.π-介子由u和组成
D.π-介子由d和组成
AD [π+介子带电荷量为+e,u带电荷量为+e,带电荷量为+e,故π+介子由u和组成,选项A正确,B错误;π-介子带电荷量为-e,d带电荷量为-e,带电荷量为-e,故π-介子由d和组成,选项C错误,D正确。]
9.有三个相同的金属小球A、B、C,其中小球A带有2.0×10-5 C的正电荷,小球B、C不带电,现在让小球C先与球A接触后取走,再让小球B与球A接触后分开,最后让小球B与小球C接触后分开,最终三球所带电荷量分别为qA=________C,qB=________C,qC=________C。
[解析] 根据电荷守恒和均分原理可知,小球C与A接触后分开,A、C两球各自带1×10-5 C的正电荷。小球B与带1×10-5 C的小球A接触后分开,A、B两球各自带5×10-6 C的正电荷,B与C球接触后分开,将平分B、C两球的总电荷量,即B、C两球各带7.5×10-6 C的正电荷。
[答案] 5×10-6 7.5×10-6 7.5×10-6
10.(多选)原来甲、乙、丙三物体都不带电,今使甲、乙两物体相互摩擦后,乙物体再与丙物体接触,最后,得知甲物体带正电1.6×10-15 C,丙物体带电8×10-16 C。则对于最后乙、丙两物体的带电情况,下列说法正确的是( )
A.乙物体一定带有负电荷8×10-16 C
B.乙物体可能带有负电荷2.4×10-15 C
C.丙物体一定带有正电荷8×10-16 C
D.丙物体一定带有负电荷8×10-16 C
AD [由于甲、乙、丙原来都不带电,即都没有净电荷,甲、乙摩擦导致甲失去电子1.6×10-15 C而带正电,乙物体得到电子而带1.6×10-15 C的负电荷;乙物体与不带电的丙物体相接触,从而使一部分负电荷转移到丙物体上,故可知乙、丙两物体都带负电荷,由电荷守恒可知乙最终所带负电荷为1.6×10-15 C-8×10-16 C=8×10-16 C,故A、D正确。]
11.(多选)如图所示,A、B是被绝缘支架分别架起的金属导体,并相隔一定距离,其中A带正电,B不带电。则以下说法正确的是( )
A.导体B左端出现负电荷,右端出现正电荷,并且电荷量大小相等
B.若A不动,将B沿图中aa′分开,则两边的电荷量大小可能不等,与如何分有关
C.若A向B逐渐靠近,在B左端和右端的电荷量大小始终相等并且连续变化
D.若A、B接触一下,A、B金属体所带总电荷量保持不变
AD [由于B导体中存在大量自由电子,在带正电的A的作用下,B中部分电子会被A吸引到左端而出现负电荷,右端由于缺少同样数量的电子而出现正电荷,所以A选项正确;根据电荷守恒定律,B中总电荷量仍为零,即使沿aa′分开B,只要B与外界没有电荷交换,B的左右两部分的电荷量总是等量异种,所以B选项错误;A向B逐渐靠近过程中,B的左右部分异种电荷数量总是同步变化,但不连续变化,这是由于任何带电体的电荷量都不是连续的,只能是元电荷(e=1.60×10-19 C)的整数倍,所以C选项错误;A、B间接触后,B中部分电子转移到A上,这就发生了接触起电观象,虽然A的电荷减少,但A、B的总电荷量保持不变,所以D选项正确。]
12.如图所示,A、B、C是三个安装在绝缘支架上的金属体,其中C球带正电,A、B是两个完全相同的枕形导体,都不带电。试问:
(1)如何使A、B都带等量正电?
(2)如何使A、B都带等量负电?
(3)如何使A带负电,B带等量的正电?
[解析] (1)方法一:把A、B紧密靠拢,让C靠近B,则在B端感应出负电荷,A端感应出等量的正电荷,把A与B分开后再将B接地,则B所带的负电荷就被中和,移开C,再把A与B接触一下,A和B就带上等量的正电荷。
方法二:使A、B紧密靠拢,再与C接触一下分开,再把A、B分开,则A、B会带上等量的正电荷。
(2)把A、B紧密靠拢,让C靠近B,则在B端感应出负电荷,A端感应出等量的正电荷,把A与B分开后将C移走,A带正电,B带负电,然后将A接地,大地中的负电荷将A带的正电荷中和,断开A的接地,再把A与B接触一下,A和B就带上等量的负电荷。
(3)把A、B紧密靠拢,让C靠近A,则在A端感应出负电荷,B端感应出等量的正电荷,马上把A与B分开,则A带负电,B带等量的正电。
[答案] 见解析
13.半径相同的两金属小球A、B带有相同的电荷量,相隔一定的距离,今让第三个半径相同的不带电金属小球C,先后与A、B接触后移开。
(1)若A、B两球带同种电荷,接触后两球的电荷量大小之比为多少?
(2)若A、B两球带异种电荷,接触后两球的电荷量大小之比为多少?
[解析] (1)设A、B带同种电荷为q,则A、C接触后,A、C带电荷量为qA=qC=q
C与B球接触后,B、C所带电荷量为
qB=qC′==q
故A、B带电荷量大小之比为
==。
(2)设qA=+q,qB=-q
则C与A接触后,A、C带电荷量为
qA=qC=+q
C与B接触后,B、C带电荷量为
qB=qC″==-q
故A、B带电荷量大小之比为==。
[答案] (1)2∶3 (2)2∶1
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