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电路、电流和电压
第五节 电压及其测量
方式一 【问题导入】
(1)师:电与我们的生活息息相关,“电压”这个词听起来也不陌生。同学们知道与电压有关的哪些知识呢
学生踊跃交流自己的生活感受(雷电很厉害,可以击死人和牲畜;高压危险,不能靠近;照明电路的电压是220 V;一节干电池的电压是1.5 V;秋冬的晚上脱毛衣时可摩擦生电;有些生物体内可以产生较高的电压——生物电等)。
师:到底什么是电压 电压是从哪来的 下面我们就一起来探究什么是电压,引入新课。
(2)对比图11-5-1甲、乙中各元件作用的相似点,分析水流的形成与电流的形成过程的相似之处,明确电源就是提供电压的装置,电压是形成电流的原因,引入新课。
图11-5-1
方式二 【情境导入】
多媒体播放视频:闪电(图11-5-2)。
图11-5-2
导入语:闪电是云与云之间或云与大地之间发生的强烈的放电现象。闪电的电压高达104~109 V。那什么是电压呢 你了解吗
这节课我们就来研究——电压。引入新课。
方式三 【实验导入】
器材:电池、开关、导线、小灯泡。(如图11-5-3所示)
图11-5-3
实验1:连接电路,闭合开关,小灯泡发光,说明电路中产生了电流。
思考:电流产生的条件是什么
实验2:取下电路中的干电池,闭合开关,小灯泡不发光。
思考:这种情况下,电路中为什么不能形成电流 电源的作用是什么
实验3:改变电池的个数,重新实验,观察到小灯泡的亮度发生了变化,这说明电路中的电流大小发生了变化。
思考:电路中的电流与电压有什么关系呢
导入语:学了本节课的知识,上面这些问题就会迎刃而解。引入新课。
1.教材难点知识突破:电源是提供电压的装置,电压是形成电流的原因
电流看不见、摸不着,为了说明电流的形成条件,我们可以用水流来类比。多媒体播放动画:水流和电流的形成。(详见电子资源)
如图11-5-4所示,容器A、B中的水面相平后,水不再流动[水位差(又叫水压)是使水定向流动的根本原因]。要让水持续不断地流动,需采取措施:让抽水机抽水,使两容器中液面保持一定的水位差。
图11-5-4
同理,要使电路中形成持续不断的电流,电路两端要保持一定的电位差,即电压。
用类比法和学生交流讨论得出:(如图11-5-5所示)
图11-5-5
总结:电压是形成电流的原因,而电源是提供电压的装置。
2.串联电路中电压规律的猜想
在探究“串联电路中电压的规律”时,教师首先提出问题:串联电路中各部分电路两端的电压与总电压有什么关系 然后引导学生猜想并讨论。(说明:教师引导学生积极提出自己的猜想,并且寻找支持猜想的依据)
猜想与假设:
(1)串联电路中电压的关系应该和电流的关系相同,也就是处处相等。
(2)电压应该从电源正极出发,沿着电流方向越来越小。因为电压是使电路中形成电流的某种“力量”,“力量”会消耗,越来越小。
(3)灯泡亮的地方电压大,灯泡暗的地方电压小。
(4)串联电路中,各部分电压相加等于总电压。因为串联电池组的电压等于各个电池的电压之和。
……
3.拓展补充:改进小彩灯的连接电路
展示实物或多媒体展示图片:装饰用的一串小彩灯(图11-5-6)。
图11-5-6
学生讨论,并画出小彩灯的电路图。
学生设计电路图如图11-5-7所示:
图11-5-7
教师演示:按学生设计的电路图连接电路,闭合开关,将其中任意一个小灯泡拧松,会导致整个电路断路。
学生总结得出结论:该电路的缺点是如果有一个小灯泡烧坏了,将使整串小灯泡全部熄灭,而且实际检修起来也很不方便。
学生设计电路图如图11-5-8所示:
图11-5-8
师:通过学习,我们已经知道了,并联电路中各支路两端的电压是相等的,如果小彩灯的电路这样设计,那么直接接在220 V的电源上可行吗
生:不可行!
师:我们怎样改进才能使这个电路更科学呢
学生思考,设计出改进后的电路(图11-5-9):
图11-5-9
师:在这样的电路设计中除非并联的两个(或多个)灯泡同时损坏,才会对整个电路造成影响,这就大大降低了因灯泡损坏而对整个电路造成影响的概率。
[中考解读] 电压表的使用是学生应该掌握的基本技能,中考试卷中独立考查该知识点的题目并不多,常常结合实验探究一起考查,多以填空的形式出现在实验探究题、综合应用题中。串、并联电路中电压特点,是培养学生科学素养的好素材。该知识点在中考试卷中一般以实验探究题的形式出现,而对规律的运用常结合简单的电路分析和后面将要学习的欧姆定律来进行考查。
[考点对接] 串、并联电路的电压关系
例1 (南宁中考)如图11-5-10所示,在“探究串联电路的电压规律”实验中,闭合开关,用电压表分别测出AB、BC、AC两端的电压分别为UAB=1.5 V,UBC=1.5 V,UAC=3 V,在表格中记录数据后,接下来的实验步骤是 ( )
A.整理数据,结束实验
B.分析数据,得出结论
C.换用不同规格的小灯泡,再测出几组电压值
D.换用电压表的另一量程,再测出一组电压值
[答案] C
[解析] 研究串联和并联电路的电压和电流时,为了使实验结论具有普遍性,采用相同规格灯泡和不同规格灯泡进行多次实验,用电压表测出AB、BC、AC两端的电压分别为UAB=1.5 V,UBC=1.5 V,UAC=3 V,说明两个小灯泡是同一个规格的,接下来的操作是换用不同规格的小灯泡,再测出几组电压值,然后分析数据,这样的结论才具有普遍性。
例2 (广东中考)探究串联电路中电压的规律。
图11-5-11
(1)根据如图11-5-11甲所示的电路图,用笔画线代替导线将图乙所示电路连接完整。
(2)连接电路时,开关应处于 状态。正确连接电路后,闭合开关,若灯L2断路,则L1两端 (选填“有”或“无”)电压。
(3)用电压表分别测出电压UAB、UBC和UAC。其中测UAB时,电压表的示数如图丙所示,示数为 V。接着更换不同规格的灯泡多次实验,数据记录见下表。
实验次序 电压UAB/V 电压UBC/V 电压UAC/V
1 1.7 2.9
2 1.3 1.6 2.9
3 1.1 1.8 2.9
①分析表中数据,得到初步结论:串联电路两端的总电压等于各部分电路两端电压 。
②为使结论更具普遍性,小明将灯泡换成其他类型用电器并多次实验。此外,还可以 。
[答案] (1)如图所示
(2)断开 无
(3)1.2 ①之和 ②更换电压不同的电源多次实验
[解析] (1)两灯串联,则将L2的右接线柱接L1的左接线柱或电压表的“-”接线柱均可;(2)为保护电路,连接电路时,开关应处于断开状态;若灯L2断路,则整个电路断开,L1两端无电压;(3)图丙中电压表使用小量程,分度值为0.1 V,示数为1.2 V;①分析表中数据可得:串联电路两端的总电压等于各部分电路两端电压之和;②为使结论更具普遍性,小明将灯泡换成其他类型用电器并多次实验。此外,还可以更换电压不同的电源多次实验。
材料一——水中“高压线”——电鳗
图11-5-12
电鳗(图11-5-12)分布于南美洲亚马孙流域的圭亚那地区,多在浅水的池沼或水体较浑浊的岸边活动,体型很大,是原产地著名的食用鱼。其高超的放电本领使其成为十分出名的鱼类,可作为水族馆中的展示鱼或观赏鱼。
电鳗尾部两侧的肌肉,是由有规则地排列着的6000~10000枚肌肉薄片组成的,薄片之间有结缔组织相隔,并有许多神经直通中枢神经系统。每枚肌肉薄片像一个小电池,只能产生150 mV的电压,但近万个“小电池”串联起来,就可以产生很高的电压。
电鳗是鱼类中放电能力最强的淡水鱼类,输出的电压达300~800 V,因此电鳗有水中“高压线”之称。电鳗的发电器的基本构造与电鳐类似,也是由许多电板组成的,它的发电器分布在身体两侧的肌肉内,身体的尾端为正极,头部为负极,电流从尾部流向头部。当电鳗的头和尾触及敌体,或受到刺激影响时即可产生强大的电流。电鳗的放电主要是出于生存的需要。因为电鳗要捕获其他鱼类和水生生物,放电就是获取猎物的一种手段。它所释放的电量,能够轻而易举地把比它小的动物击死,有时还会击毙比它大的动物,正在河里涉水的马和游泳的牛也可能被电鳗击昏。
电鳗放电时的平均电压为350多伏,但也有过650 V的放电记录。美洲电鳗的最大放电电压竟达800多伏,这么强的电压足以击死一头牛。电鳗放电时产生的电流一般不到1 A;有时会观察到电压为500 V,电流为2 A,即功率为1000 W的短时放电。虽然电鳗发出的是直流电,但放电频率每秒可达300个脉冲。
电鳗的放电损伤力是很强的,其放电损伤力取决于电鳗的大小和机体的状况。当电鳗长不到1 m时,电压随着电鳗的成长而增加。当长到1 m后,只增加电流的强度,电压通常不再增加。电鳗每秒钟能放电50次,但连续放电后,电流逐渐减弱,10~15 s后完全消失,休息一会儿后又能重新恢复放电能力。在水中3~6 m范围内,常有人触及电鳗放出的电而被击昏,甚至因此跌入水中而被淹死。
电鳗的放电能力很强,那么电鳗会不会被自己产生的电流电到呢
电鳗的放电器官在身体的两侧,而且它大部分的身体或重要的器官都由绝缘性很高的构造包住,在水中就像是一个大电池。电流由电阻最小的通路经过,所以电鳗在水中放电时,电流会经由水(电阻比电鳗身体小)传递,电鳗并不会电到自己。但如果电鳗被抓到空气中,因空气的电阻比它身体的电阻更大,放电的话就会电到自己了。另外,如果电鳗受伤使两侧的绝缘体同时破损,其放电时就会像两条裸露的电线一样发生短路的现象。
材料二——伏特
伏特(图11-5-13)是意大利物理学家,1745年2月18日出生于意大利科莫一个富有的天主教家庭里。
图11-5-13
伏特应用他的理论制造了各种有独创性的仪器,起电盘就是其中一个杰出的例子。一块导电板放在一个由摩擦起电的充电树脂“饼”上端,然后用一个绝缘柄与金属板接触,使它接地,再把它举起来,于是金属板就被充电到高电势,这个方法可以用来给莱顿瓶充电。这种操作可以不断地重复。这一发明是非常精巧的,以后发展成为一系列静电起电机。伏特强烈地感到,他必须定量地测定电量,于是他设计了一种静电计,这就是各种绝对静电计的鼻祖,它能够以可重复的方式测量电势差。他还为他的静电计建立了一种刻度,根据他的描述,我们可以确定它的单位是今天的13350 V。1775年,由于起电盘的发明,伏特担任了一些学校的物理教授。他的名声开始扩展到意大利以外,苏黎世物理学会选举他为会员。
伏特的兴趣并不只限于电学,他通过观察马焦青湖附近沼泽地冒出的气泡,发现了沼气。他把对化学和电学的兴趣结合起来,制成了一种称为气体燃化的仪器,可以用电火花点燃一个封闭容器内的气体。他在三十二岁时去瑞士游历,见到了伏尔泰和一些瑞士物理学家。回来后他被任命为帕维亚大学物理学教授,帕维亚大学是伦巴第地区最著名的大学。他担任这个教授职务一直到退休,正是在那里他作出了他的划时代的发现。
材料三——放电深度对电动车电池寿命的影响
随着新能源技术利用的普及,电动汽车已经进入千家万户,这离不开电池技术的快速发展。众所周知,电池的使用是有寿命的,在使用过程中电池容量会不断衰减,而电池寿命的结束并非指电池的容量衰减至0%或者不能用,而是指电池总容量衰减到设计容量的80%或者以下。
电池寿命可以用“循环寿命”来衡量,是指电池寿命结束前进行的100%全循环放电次数。很多因素都会影响电池的循环寿命,如电池温度、充放电电流等。有研究表明,不同的放电深度也会影响电池的循环寿命。例如,一辆电动车将电池电量从70%用到30%,则这次的放电深度为40%;再次使用前将电池充电到90%后,又用到30%,这次的放电深度就为60%,则这两次总共完成了1次100%全循环放电。
研究人员以不同的放电深度,对电动车电池进行充放电循环研究,得到了电动车电池100%全循环放电次数与放电深度的关系,如图11-5-14所示。由图像我们不难看出,合理规划充放电策略,可以有效延长电动车电池的使用寿命。
图11-5-14
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电路、电流和电压
第五节 电压及其测量
教 材 解 读 “电压及其测量”是电学教学的重点,是继电流之后要认识的另一个重要电学物理量,与电流一样,都是学习欧姆定律这一电学核心规律的基础,它将前面所学电学知识进行深化拓展,同时为进一步探究电路中各物理量的关系搭建桥梁,帮助学生逐步构建完整的电学知识体系。 本节教材内容分为三部分:第一,认识电压的概念,运用类比法,用水压类比电压,帮助学生将抽象概念具象化,降低理解难度,知道电压的单位和符号,并掌握电压单位的换算;第二,认识电压表,并能正确使用电压表;第三,探究串、并联电路的电压关系。
学 习 目 标 物理观念 1.知道电源是提供电压的装置,电压是形成电流的原因。 2.知道电压用字母U表示及电压的单位。 3.了解一些常见的电压值,记住人体安全电压值及家庭电路电压值。 4.能够正确使用电压表测量电压值。 5.会使用电压表测电压,会探究串联电路和并联电路的电压关系。
科学思维 1.通过水压与电压的类比,学会运用类比思维理解抽象物理概念。 2.在探究串、并联电路电压规律的过程中,掌握归纳、分析、总结的科学思维方法,能够根据实验数据和现象进行逻辑推理,得出合理结论,培养学生的逻辑思维能力和创新思维,尝试用不同的方法解决电压测量及相关问题。
科学探究 通过进行电压测量实验,让学生能自主提出问题、作出假设,设计并实施实验方案,学会正确使用电压表进行测量,准确记录和处理实验数据,分析实验误差来源,培养学生的实验探究能力和实践操作能力,提高学生的科学探究素养,使其具备独立探究和合作探究的能力。
科学态度 与责任 1.在学习和实验过程中,培养学生严谨认真、实事求是的科学态度,尊重实验数据,不随意篡改。 2.让学生认识到电学知识在生活和生产中的重要应用,增强学生对科学技术的兴趣和责任感,激发学生对物理学科的热爱,培养学生的社会责任感和使命感。
重点 难点 重点:电压的概念;电压表的正确使用;探究串、并联电路电压的关系。 难点:对电压概念的理解;尤其是从抽象的角度理解电压是形成电流的原因;正确使用电压表,包括量程选择、接线柱连接和读数,以及在复杂的电路中准确测量电压。
实 验 改 进 探究串、并联电路中电压规律实验改进:在测量串联电路中电压的实验过程中,按照教材中的方法,依次测量两只灯泡两端电压及总电压时,由于电压表的影响会导致结果并不完全符合“串联电路总电压等于各用电器两端电压之和”的结论。可以使用三个电压表同时连入电路中,测量出三个电压值,这时测量结果一般是准确的(实验前要检查各电压表规格是否相同)。
备课 资料 word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 生活中,水之所以流动,是因为存在水压;空气之所以流动,是因为存在气压。那么在闭合电路中自由电荷的定向移动形成电流,又是什么原因呢 学生思考、回答 通过生活常识类比引入,通过问题引导,激发学生兴趣。
【新课教学】 探究点一:电压 演示如图所示实验并提问: (1)打开图甲中阀门时,管内的水会流动吗 为什么 如何才能让图甲中水流动起来 (2)如图乙所示,打开阀门,管内水是否流动 为什么 水能连续流动吗 怎样能让水连续流动呢 (3)如图丙所示,安装上抽水机,管内的水能连续不断流动吗 对比图丁与图丙,有什么相似之处 你能不能得到什么启发 (引导学生对比水流和电流的形成) 学生观察、思考,类比水流形成原因学习电流的形成 利用学生熟悉的事物类比学习,帮助学生实现知识的迁移。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
师生总结归纳:由上面实验我们看到要想让管中的水流动,必须使管两端水位的高度不同。水位差产生了水压,此时水压是形成水流的原因,抽水机则是保持水压的装置。 与抽水机相似,电源把电荷从电源正极经导线和用电器流向电源负极,再从电源内部移到电源正极,从而在电路两端保持一定的电压。 电路中有持续电流的条件:①闭合电路;②有电源(即有电压存在)。 电压是使电路中电荷定向移动,形成电流的原因。 电压单位: ①国际单位:伏(V)。 ②常用单位:千伏(kV),毫伏(mV),微伏(μV)。 换算关系:1 kV=1000 V,1 V=1000 mV,1 mV=1000 μV。 (4)学生看表,了解生活常见电源的电压值 一单元太阳能电池0.5 V一节铅蓄电池 2 V一节镍氢电池1.2 V一节锂离子电池3.6~3.7 V一粒纽扣电池1.25~3 V家庭电路220 V一节干电池1.5 V工厂动力用电380 V
过渡:一节旧的干电池和一节新的干电池电压一样吗 我们怎么测量呢 探究点二:电压表 教师给出:电压有大小之分,物理上利用电压表测量电压大小。 观察:让学生观察电压表,对比电流表自己认识电压表。让学生汇报。 学生观察、联系生活讨论、交流 观察结构,对比学习 问题引导学生思考。 电流表与电压表有相似之处,通过对比学习,掌握学习方法,加深印象。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
(1)电路图符号:。 (2)量程,分度值 “-,3”:量程0~3 V,分度值0.1 V; “-,15”:量程0~15 V,分度值0.5 V。 (3)读数:指针稳定在哪个刻度附近,就读哪个刻度所表示的值。 (4)使用注意事项: ①在实际测量前,先看指针是否在“0”的位置。若不在,需要调节调零旋钮,把指针调到指“0”的位置,即调零。 ②电压表应并联在被测电路两端。 ③电流从“+”接线柱流入,“-”接线柱流出。 ④电压不能超过电压表的最大测量值。在不能预先估计被测电压大小时,可以先选用0~15 V的量程,将开关瞬间闭合再断开,看指针的偏转情况。若指针的偏转超出最大测量值,要换更大量程的电压表;若指针的偏转不大于15 V,但是大于3 V,应该使用0~15 V的量程;如果指针的偏转小于3 V,应该改用0~3 V的量程测量。这样能更准确地读出数值。 学生练习:把电压表接入电路,电压表示数如图所示,它们的电压值各是多少 认识各结构的作用,理解使用方法。电流表电压表与有相似之处,通过对比学习,掌握学习方法,加深印象 学生进行实验探究 通过练习熟悉电压表的使用方法和读数。 练习使用电压表,为探究电压规律做准备。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
甲示数: ;乙示数: 。 你是如何读数的 与同学交流(重点落实先看量程再读数的好习惯)。 学生做一做:把电压表并联在电源两端,体会电压表示数的意义。 探究点三:探究串、并联电路中电压的关系 教师布置任务:我们已经知道串、并联电路的电流关系,那么串、并联电路中的电压关系是怎样的呢 请同学们分小组按照课本68页学生实验进行探究。 (1)提出问题: 。 (2)猜想与假设: 。 (3)制订计划与设计实验 (4)进行实验与收集数据 记录表格 被测电压U1U2U串联电压大小/V并联电压大小/V
(5)分析与论证 从测量结果得出初步结论: 。 深入探究问题1:在刚才的电路中,换用不同型号的小灯泡,结论还成立吗 深入探究问题2:如果增加电池的节数,结论还成立吗 学生合作实验 学生合作进行 实验激发兴趣,问题引导思考,在实验和思考中提高思维和科学素养。 通过同学互动和实验研究,培养合作能力和研究问题的能力。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
深入探究问题3:如果在串联电路中再多串联一盏小灯泡或并联电路中多并联一盏小灯泡,结论还成立吗 然后让学生按上面步骤再进行实验探究。(时间紧张可以分组,不同组选一种情况探究,最后汇报) 最终大家得到的结论: 。 (6)评估与交流 ①在探究过程中,你遇到什么困难 后来解决了吗 怎样解决的 ②实验设计有没有不合理的地方 操作中有没有失误 测量结果是不是可靠 实验中哪些因素带来误差 评估提示: ①电压表接线柱会出现反接现象,学生观察到什么了 ②电压表量程选择不当造成读数误差大。 ③电压表并联对象出错误。 ④让学生对实验中故障电路有初步的认识。 课堂小结 1.你学到了哪些物理知识 2.你学会了哪些研究问题的方法 实验探究 学生设计实验,分组完成实验过程,得出结论 学生对本节课进行总结 在电流关系探究实验的基础上,通过学习任务单引导学生自主设计探究,提高学生的科学素养和科学思维。
学点1 电压
阅读教材P65内容,如图11-5-15所示,观察水流和电路的情况,回答下面的问题:
图11-5-15
问题1:水怎样才会不停地流动
答: 用抽水机不断地把水抽到高处,形成一定的压力差 。
问题2:电路中怎样才会有持续的电流
答: 电路中必须有一定的电压,且电路是通路,才会有持续的电流 。
问题3:电路中用两节干电池串联供电比用一节干电池供电时灯泡更亮,说明两节干电池在小灯泡两端产生的电压比一节干电池产生的电压 高 一些,由此猜想:灯泡两端的电压越高,通过它的电流越 大 。
问题4:与抽水机类似,电路中, 电源 是提供电压的设备, 电压 是形成电流的原因。电压通常用符号 U 表示,国际单位是 伏特 ,简称 伏 ,符号为 V ,除此之外,电压的单位还有 千伏(kV) 、 毫伏(mV) 和 微伏(μV) 。
问题5:日常生活中,一节干电池的电压为 1.5 V,家庭电路中的电压为 220 V,工厂动力用电为 380 V。
问题6:有电压 不一定 有电流,有电流 一定 有电压。(均选填“一定”或“不一定”)
学点2 电压表
观察图11-5-16所示两幅图片,思考并回答下列问题:
图11-5-16
问题1:电压表是测量电路中 电压 的仪表,它在电路图中的符号为 。
问题2:观察电压表,它有三个接线柱,分别标有“-”“3”和“15”,表示它有两个量程,分别为 0~3 V 和 0~15 V 。
问题3:按照0~3 V的量程读数时,每个小格代表 0.1 V ,按照0~15 V的量程读数时,每个小格代表 0.5 V ,它们是 5 倍关系,如果读错量程,乘5或除以5即可得出正确读数。
问题4:电压表的使用需注意以下几点。
(1)使用前,首先要把指针调节到 “0” 的位置。
(2)电压表应该 并 联在电路中。
(3)要使电流从电压表标有“3”或“15”的接线柱 流入 ,再从标有“-”的接线柱 流出 。
(4)在不明确待测电压的大小时,可以用 0~15 V 的量程进行试触,再决定用哪个量程。
(5)读数时,视线应与表盘垂直,图11-5-17中电压表的示数分别为 2.4 V 和 6.5 V 。
图11-5-17
学点3 探究串、并联电路中电压的规律
实验1:按如图11-5-18所示串联电路图连接实物电路图,分别用电压表测出AB、BC、AC两端的电压。(两灯规格相同)
图11-5-18
问题1:下面是小丽设计的数据记录表,请你指出表格的不妥之处。
UAB UBC UAC
实验数据
答: 电压没有单位,实验次数太少 。
问题2:在评估过程中,小刚认为小丽的实验过程太特殊,结论的成立不具有普遍性意义。你觉得小刚的实验结论可能是什么 结论的成立是否具有普遍性意义
答: 串联电路中电路的总电压等于各用电器两端的电压之和;小丽的实验不具有普遍性,应更换不同规格的灯泡或改变电源电压,做三次以上实验 。
实验2:如图11-5-19所示是小丽同学探究并联电路中电压规律实验时的实物电路图,她做了3次实验,以下是她的数据记录表。
图11-5-19
实验 次数 电源电压 U/V L1两端的电压 U1/V L2两端的电压 U2/V
1 3 3 3
2 3 3 3
3 3 3 3
结 论: 并联电路中,各支路两端的电压相等,与电路的总电压也相等 。
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