第三章 相互作用-力
一、单选题
1.胡克定律是英国科学家胡克于1678年发现的。实际上早于他1500年前,我国东汉时期的经学家和教育家郑玄就提出了与胡克定律类似的观点,他在为“量其力,有三钧”作注解时写到:“假令弓力胜三石,引之中三尺,驰其弦,以绳缓擐之,每加物一石,则张一尺。”郑玄的观点表明,在弹性限度内( )
A. 弓的弹力与弓的形变量成正比 B. 弓的弹力与弓的形变量成反比
C. 弓的弹力与弓的长度成正比 D. 弓的弹力与弓的长度成反比
2.用如图所示装置研究摩擦力的变化规律,把木块放在水平长木板上,在弹簧测力计的指针下轻放一个小纸团,它只能被指针向左推动。用弹簧测力计沿水平方向拉木块,使拉力由零缓慢增大。下列说法正确的是( )
A. 木块开始运动前,摩擦力可以用公式Ff=μFN计算
B. 该实验装置可以记录最大静摩擦力的大小
C. 木块开始运动前,拉力小于摩擦力
D. 当拉力达到某一数值时木块开始移动,运动过程中木块受到的摩擦力会越来越大
3.如图所示,水平桌面上静止叠放了三个苹果,则下列说法正确的是( )
A. 1号苹果由于放在最上面,所以1号苹果没有发生弹性形变
B. 1号苹果受到的支持力是由2号苹果的弹性形变产生的
C. 1号苹果对2号苹果的压力和3号苹果对2号苹果的支持力是一对作用力和反作用力
D. 2号苹果对3号苹果的压力与3号苹果对2号苹果的支持力是一对平衡力
4.为了行车的方便与安全,很高的桥要造很长的引桥,以减小桥面的坡度,如图所示。从车辆的受力角度分析是为了( )
A. 减小过桥车辆的重力
B. 增大过桥车辆的重力
C. 减小过桥车辆的重力在平行于引桥桥面方向的分力
D. 减小过桥车辆的重力在垂直于引桥桥面方向的分力
5.当直升机倾斜飞行时,螺旋桨产生的升力F垂直于机身,升力F与竖直方向的夹角为θ。现沿水平和竖直两个方向分解力F,如图所示。下列说法中正确的是( )
A. 水平分力大小为Fx=Fcos θ B. 水平分力大小为Fx=Ftan θ
C. 竖直分力大小为Fy=Fcos θ D. 竖直分力大小为Fy=Ftan θ
6.如图1,在水平桌面上放置一斜面体P,两长方体物块a和b叠放在P的斜面上,整个系统处于静止状态.若将a与b、b与P、P与桌面之间摩擦力的大小分别用Ff1、Ff2和Ff3表示.则( )
图1
A. Ff1=0,Ff2≠0,Ff3≠0
B. Ff1≠0,Ff2=0,Ff3=0
C. Ff1≠0,Ff2≠0,Ff3=0
D. Ff1≠0,Ff2≠0,Ff3≠0
7.用卡车运输质量为m的匀质圆筒状工件,为使工件保持固定,将其置于两光滑斜面之间,如图2所示.两斜面Ⅰ、Ⅱ固定在车上,倾角分别为30°和60°.重力加速度为g.当卡车沿平直公路匀速行驶时,圆筒对斜面Ⅰ、Ⅱ压力的大小分别为F1、F2,则( )
图2
A. F1=mg,F2=mg
B. F1=mg,F2=mg
C. F1=mg,F2=mg
D. F1=mg,F2=mg
8.如图3所示,一小球用轻绳悬于O点,用力F拉住小球,使悬线保持偏离竖直方向30°角,且小球始终处于平衡状态.为了使F有最小值,F与竖直方向的夹角θ应该是( )
图3
A. 30° B. 45° C. 60° D. 90°
9.物块在轻绳的拉动下沿倾角为30°的固定斜面向上匀速运动,轻绳与斜面平行.已知物块与斜面之间的动摩擦因数为,重力加速度取10 m/s2.若轻绳能承受的最大张力为1 500 N,则物块的质量最大为( )
A. 150 kg B. 100 kg C. 200 kg D. 200 kg
10.如图4,一物块在水平拉力F的作用下沿水平桌面做匀速直线运动.若保持F的大小不变,而方向与水平面成60°角,物块也恰好做匀速直线运动.物块与桌面间的动摩擦因数为( )
图4
A. 2- B. C. D.
11.一根轻质弹性绳的两端分别固定在水平天花板上相距80 cm的两点上,弹性绳的原长也为80 cm.将一钩码挂在弹性绳的中点,平衡时弹性绳的总长度为100 cm;再将弹性绳的两端缓慢移至天花板上的同一点,则弹性绳的总长度变为(弹性绳的伸长始终处于弹性限度内)( )
A. 86 cm B. 92 cm C. 98 cm D. 104 cm
12.如图7所示,一根粗糙的水平横杆上套有A、B两个轻环,系在两环上的等长细绳拴住的书本处于静止状态,现将两环距离变小后书本仍处于静止状态,则( )
图7
A. 杆对A环的支持力变大
B. B环对杆的摩擦力变小
C. 杆对A环的力不变
D. 与B环相连的细绳对书本的拉力变大
13.一轻绳一端系在竖直墙M上,另一端系一质量为m的物体A,用一轻质光滑圆环O穿过轻绳,并用力F拉住轻环上一点,如图8所示.现使物体A从图中实线位置缓慢下降到虚线位置.则在这一过程中,力F、绳中张力FT及力F与水平方向夹角θ的变化情况是( )
图8
A. F保持不变,FT逐渐增大,夹角θ逐渐减小
B. F逐渐减小,FT保持不变,夹角θ逐渐减小
C. F逐渐减小,FT保持不变,夹角θ逐渐增大
D. F逐渐增大,FT逐渐减小,夹角θ逐渐增大
14.如图11,两个轻环a和b套在位于竖直面内的一段固定圆弧上;一细线穿过两轻环,其两端各系一质量为m的小球.在a和b之间的细线上悬挂一小物块.平衡时,a、b间的距离恰好等于圆弧的半径.不计所有摩擦.小物块的质量为( )
图11
A. B. m C. m D. 2m
二、多选题
15.在力学理论的建立过程中,有许多伟大的科学家做出了贡献。关于科学家和他们的贡献,下列说法正确的是( )
A. 伽利略认为力不是维持物体运动的原因 B. 亚里士多德认为物体的运动不需要力来维持
C. 牛顿最早指出力不是维持物体运动的原因 D. 笛卡儿对牛顿第一定律的建立做出了贡献
16.如图儿童在滑滑梯游戏时在滑板上匀速滑下,关于儿童在滑板上受力问题求解时,可以将滑梯抽象为一个斜面的模型,以正在匀速滑下的小孩为研究对象。小孩受到三个力的作用:重力G、斜面的支持力FN和滑动摩擦力Ff,利用平衡知识求解三个力的关系,你认为下列受力分析及力的分解或合成示意图中符合规范的有( )
A. B.
C. D.
17.在一次学校的升旗仪式中,小明观察到拴在国旗上端和下端各有一根绳子,随着国旗的徐徐升起,上端的绳子与旗杆的夹角在变大,下端的绳子几乎是松弛的,如图所示。设风力水平,两绳重力忽略不计,由此可判断在国旗升起的过程中( )
A. 上端的绳子的拉力先减小后增大 B. 上端的绳子的拉力在逐渐增大
C. 风力在逐渐增大 D. 风力先减小后增大
18.如图6,一粗糙斜面固定在地面上,斜面顶端装有一光滑定滑轮.一细绳跨过滑轮,其一端悬挂物块N,另一端与斜面上的物块M相连,系统处于静止状态.现用水平向左的拉力缓慢拉动N,直至悬挂N的细绳与竖直方向成45°.已知M始终保持静止,则在此过程中( )
图6
A. 水平拉力的大小可能保持不变
B. M所受细绳的拉力大小一定一直增加
C. M所受斜面的摩擦力大小一定一直增加
D. M所受斜面的摩擦力大小可能先减小后增加
19.如图9所示,斜面c上放有两个完全相同的物体a、b,两物体间用一根细线连接,在细线的中点加一与斜面垂直的拉力F,使两物体及斜面均处于静止状态.下列说法正确的是( )
图9
A. c受到地面的摩擦力向右
B. a、b两物体的受力个数一定相同
C. a、b两物体对斜面的压力一定相同
D. 逐渐增大拉力F,b物体先滑动
20.如图10所示,质量均为m的箱子A和物体B,用轻质细绳跨过光滑的定滑轮相连,A置于倾角θ=30°的斜面上,处于静止状态,A与定滑轮间的细绳与斜面平行.现向A中缓慢地加入沙子,整个系统始终保持静止,则在加入沙子的过程中( )
图10
A. 绳子拉力保持不变
B. A对斜面的压力保持不变
C. A所受的摩擦力先减小后增大
D. A所受的摩擦力逐渐增大
三、实验题
21.某课外兴趣小组做“探究求合力的方法”实验,步骤如下:
(1)在弹簧测力计的下端悬挂一重物M,记下重物静止时弹簧测力计的示数F。
(2)将贴有白纸的木板竖直放置,三个细线套一端共系于一个结点,另一端分别系于弹簧测力计A、B和重物M上,测力计A挂于固定点P,手持测力计B拉动细线,使结点静止于O点,如图所示。记录下O点位置、两个测力计示数FA、FB及________。本实验用的弹簧测力计示数的单位为N,图中弹簧测力计B的示数为________ N。
(3)在白纸上按一定标度作出F、FA、FB的图示,根据平行四边形定则作出FA、FB的合力F′的图示,若________,则两个力FA、FB合成遵从平行四边形定则。
(4)本实验中采用的科学方法是________。
A.理想实验法 B.等效替代法
C.控制变量法 D.建立物理模型法
(5)关于本实验,下列做法合理的是________。
A.三根细线必须等长
B.要使两弹簧测力计的读数非常接近
C.每次实验时弹簧测力计B始终保持水平
D.使弹簧测力计、细线都位于竖直平面内
四、计算题
22.如图所示,一个小物块从一个固定的斜面上匀速下滑,已知小物块的质量为m,斜面的倾角为θ,重力加速度为g,不计空气阻力。求:
(1)斜面所受的摩擦力Ff的大小;
(2)小物块与斜面间的动摩擦因数μ。
23.如图所示,放在粗糙水平桌面上的物体P用一水平轻质细线与竖直放置的轻质弹簧上端相连于O,另一轻质细线一端与O点相连,另一端固定在竖直墙壁上的Q点,绳左侧与竖直方向夹角为α=37°,物体P处于静止状态,弹簧的劲度系数k=200 N/m,伸长量x=2 cm,取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。
(1)求弹簧弹力F的大小;
(2)求物体P受到的摩擦力Ff的大小。
24.在倾角α=37°的斜面上,一条质量不计的皮带一端固定在斜面上端,另一端绕过一质量m=3 kg、中间有一圈凹槽的圆柱体,并用与斜面夹角β=37°的力F拉住,使整个装置处于静止状态,如图所示。不计一切摩擦,求拉力F和斜面对圆柱体的弹力FN的大小。(g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)
某同学分析过程如下:
将拉力F沿斜面和垂直于斜面方向进行分解。
沿斜面方向:Fcos β=mgsin α
垂直于斜面方向:Fsin β+FN=mgcos α
问:你认为上述分析过程正确吗?若正确,按照这种分析方法求出F及FN的大小;
若不正确,指明错误之处并求出正确的结果。
25.如图12所示,质量m1=12 kg的物体A用细绳绕过光滑的滑轮与质量为m2=2 kg的物体B相连,连接A的细绳与水平方向的夹角为θ=53°,此时处于静止状态.已知A与水平桌面间的动摩擦因数μ=0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度g取10 m/s2,sin 53°=0.8,cos 53°=0.6,求:
图12
(1)物体A所受摩擦力的大小;
(2)欲使系统始终保持静止,物体B的质量不能超过多少.
26.如图13甲所示,轻杆OB可绕B点自由转动,另一端O点用细绳OA拉住,固定在左侧墙壁上,质量为m的重物用细绳OC悬挂在轻杆上的O点,OA与轻杆的夹角∠BOA=30°,轻杆OB水平.图乙中水平轻杆OB一端固定在竖直墙壁上,另一端O装有小滑轮,用一根细绳跨过滑轮后悬挂一质量为m的重物,图中∠BOA=30°,重力加速度为g,则:
图13
(1)图甲、乙中细绳OA的拉力各是多大?
(2)图甲中轻杆中的弹力是多大?
(3)图乙中轻杆对滑轮的作用力是多大?
第三章 相互作用-力
答案与解析
1.【答案】A
【解析】“每加物一石,则张一尺”说明每增加一石物体的重力,则再张开一尺,揭示了弓的弹力和形变量成正比关系,故A正确,B错误;“每加物一石,则张一尺”指的是弓的形变量而非弓的长度,故C、D错误。
2.【答案】B
【解析】由题意可知,开始时木块保持不动,木块受静摩擦力,不可以用公式Ff=μFN计算,根据平衡条件可知摩擦力大小始终等于拉力,故摩擦力大小随拉力的增大而增大;而当增大拉力达到某一大小时,木块开始滑动,此时说明木块恰好达到最大静摩擦力;而由于滑动摩擦力要小于最大静摩擦力,所以木块移动后拉力将减小,运动过程中木块受到的摩擦力保持不变,根据纸团的位置即可记录下最大静摩擦力,故B正确,A、C、D错误。
3.【答案】B
【解析】1号苹果由于放在最上面,1号与2号间存在相互挤压,所以存在弹性形变,故A错误;根据弹力的产生可知,1号苹果受到的支持力是由2号苹果的弹性形变产生的,故B正确;1号苹果对2号苹果的压力和3号苹果对2号苹果的支持力都作用在2号苹果上,不能是作用力与反作用力,故C错误;2号苹果对3号苹果的压力与3号苹果对2号苹果的支持力是一对作用力和反作用力,不是平衡力,故D错误。
4.【答案】C
【解析】车辆的重力不随坡度的变化而变化,故A、B错误;设桥面倾角为θ,将重力按照作用效果分解如图。
由几何关系可得G1=mgsin θ
G2=mgcos θ
因为引桥越长倾角θ越小,sin θ越小,cos θ越大,重力在平行于引桥桥面方向的分力越小;重力在垂直于引桥桥面方向的分力越大,故C正确,D错误。
5.【答案】C
【解析】将力F分解为两个相互垂直的分力,其中沿水平方向的分力大小为Fx=Fsin θ,竖直分力大小为Fy=Fcos θ,故C正确,A、B、D错误。
6.【答案】C
【解析】对a、b、P整体受力分析可知,整体相对地面没有相对运动趋势,故Ff3=0;将a和b看成一个整体,ab整体有相对斜面向下运动的趋势,故b与P之间有摩擦力,即Ff2≠0;对a进行受力分析,a相对于b有向下运动的趋势,故a和b之间存在摩擦力作用,即Ff1≠0,故选项C正确.
7.【答案】D
【解析】分析可知工件受力平衡,对工件受到的重力按照压紧斜面Ⅰ和Ⅱ的效果进行分解如图所示,结合几何关系可知工件对斜面Ⅰ的压力大小等于F1=mgcos 30°=mg,对斜面Ⅱ的压力大小等于F2=mgsin 30°=mg,选项D正确,A、B、C错误.
8.【答案】C
【解析】小球受三个力平衡,重力大小、方向均不变,绳的拉力方向不变.由图解法可知当F与绳垂直时,拉力F最小,此时F与竖直方向夹角为60°,且最小值为F=mgsin 30°=mg.
9.【答案】A
【解析】设物块的质量最大为m,将物块的重力沿斜面方向和垂直斜面方向分解,由平衡条件,在沿斜面方向有F=mgsin 30°+μmgcos 30°=mg,F=1 500 N时,物块的质量最大,解得m=150 kg,A项正确.
10.【答案】C
【解析】当F水平时,根据平衡条件得F=μmg;当保持F的大小不变,而方向与水平面成60°角时,由平衡条件得Fcos 60°=μ(mg-Fsin 60°),联立解得μ=,故选项C正确.
11.【答案】B
【解析】设弹性绳的劲度系数为k.挂钩码后,弹性绳两端点移动前,绳的伸长量ΔL=100 cm-80 cm=20 cm,两段绳的弹力F=kΔL,对钩码受力分析,如图甲所示,由几何知识知sin α=,cos α=.根据共点力的平衡条件可得,钩码的重力为G=2kΔLcos α.将弹性绳的两端缓慢移至天花板上的同一点时,受力图如图乙所示.设弹性绳伸长量为ΔL′,弹力为F′=kΔL′,钩码的重力为G=2kΔL′,联立解得ΔL′=ΔL=12 cm.弹性绳的总长度变为L0+ΔL′=92 cm,故B正确,A、C、D错误.
12.【答案】B
【解析】将A、B两个轻环、绳及书本视为整体,在竖直方向上,整体受到向下的重力和向上的支持力作用,两个支持力大小之和等于重力,FN=mg,大小保持不变,A错误;设细绳与竖直方向的夹角为θ,对B环进行受力分析,Ff=FNtan θ=mgtan θ,两环距离变小,tan θ减小,Ff变小,由牛顿第三定律知,B正确;对A环受力分析与B环类似,杆对环的力为支持力FN和摩擦力Ff的合力,与FT大小相等,FT=,当θ发生变化时,FT发生变化,C错误;对书受力分析如图所示,FTcos θ=mg,两环距离变小,cos θ变大,细绳上的拉力变小,D错误.
13.【答案】B
【解析】由于绳子直接连着重物,所以绳子的张力FT与重物的重力相等,即大小保持不变;在向下移动的过程中,∠AOM逐渐增大,绳子两边AO、OM的合力逐渐减小,所以F减小,由于力F的方向是∠AOM的角平分线方向,所以夹角θ逐渐减小,故选B.
14.【答案】C
【解析】如图所示,圆弧的圆心为O,悬挂小物块的点为c,由于ab=R,则△aOb为等边三角形,同一条细线上的拉力相等,则FT=mg,由几何关系知,∠acb=120°,故绳的拉力的合力与物块的重力大小相等,即每条线上的拉力FT=mg=G,所以小物块质量为m,故C对.
15.【答案】AD
【解析】伽利略认为力不是维持物体运动的原因,所以A正确;亚里士多德认为物体的运动需要力来维持,故B错误;伽利略最早指出力不是维持物体运动的原因,故C错误;笛卡儿对牛顿第一定律的建立做出了贡献,所以D正确。
16.【答案】BC
【解析】图中重力G在x方向上的分力所表示的箭头应当恰好指在表示G的有向线段末端做x轴的垂线与x轴的交点处,故A错误,B正确;由于小孩正在匀速下滑,因此合外力为0。由于向下的力只有G,因此FN和Ff的合力应当与G位于同一直线上即竖直向上,故C正确,D错误。
17.【答案】BC
【解析】下端的绳子几乎是松弛的,说明下端的绳子对国旗没有拉力。对国旗受力分析如图。
则由平衡条件
Tcos θ=mg
Tsin θ=F
解得T=
F=mgtan θ
由上端的绳子与旗杆的夹角在变大,可知θ变大,则上端的绳子的拉力T在逐渐增大,风力F在逐渐增大,故A、D错误,B、C正确。
18.【答案】BD
【解析】对N进行受力分析如图所示,因为N的重力与水平拉力F的合力和细绳的拉力FT是一对平衡力,从图中可以看出水平拉力的大小逐渐增大,细绳的拉力也一直增大,选项A错误,B正确;M的质量与N的质量的大小关系不确定,设斜面倾角为θ,若mNg≥mMgsin θ,则M所受斜面的摩擦力大小会一直增大,若mNg19.【答案】AC
【解析】以a、b、c整体为研究对象,受力分析,可知有向左运动的趋势,则c受到的摩擦力向右,选项A正确.a物体受重力、细线拉力、支持力、摩擦力,b物体受重力、支持力、拉力,不一定有摩擦力,选项B错误.对a、b分别受力分析,正交分解,FN=mgcos α-FTsin θ,支持力相等,所以压力相同,选项C正确.对a沿斜面方向有FTcos θ+mgsin θ=Ffa,对b沿斜面方向有FTcos θ-mgsin θ=Ffb,正压力相等,所以最大静摩擦力相等,则a先达到最大静摩擦力,先滑动,故D错误.
20.【答案】AC
【解析】对物体B:由二力平衡可知绳子拉力大小等于B的重力大小,故绳子拉力保持不变,故A正确.未加沙子时,绳子的拉力大小为F=mg,A的重力沿斜面向下的分力大小为mgsin 30°=mg,故摩擦力大小为mg,方向沿斜面向下,A对斜面的压力大小为FN=mgcos 30°=mg;加入沙子的过程中,重力沿斜面向下的分力增大,A对斜面的压力增大,A所受摩擦力先减小后反向增大,故C正确,B、D错误.
21.【答案】(2)画出两细线的方向 2.70 (3)F与F′在误差允许的范围内重合 (4)B (5)D
【解析】(2)因要探究求合力的方法,则需要知道力的方向,故需画出两细线的方向。由图可读出弹簧测力计B的示数为2.70 N。
(3)由题可知,若符合平行四边形定则,则F与F′在误差允许的范围内重合。
(4)本实验中两弹簧测力计共同作用的效果与一个弹簧测力计作用效果相同,故采用的方法为等效替代法,故B正确。
(5)本实验对三根细线长度没有要求,故A错误;本实验对两弹簧测力计示数没有要求,故B错误;本实验中不需要弹簧测力计B始终保持水平,故C错误;本实验必须使弹簧测力计、细线都位于竖直平面内,这样才能保证实验的准确性,故D正确。
22.【答案】(1)mgsin θ (2)tan θ
【解析】(1)对物块进行受力分析,受到重力、支持力和滑动摩擦力作用,如图所示。
在平行斜面方向根据平衡条件可以得到
Ff=mgsin θ;
(2)在垂直斜面方向根据平衡条件可知
FN=mgcos θ
根据牛顿第三定律可知,物块对斜面的压力大小为
FN′=FN=mgcos θ
根据滑动摩擦力公式Ff=μFN′可以得到
μ==tan θ。
23.【答案】(1)4 N (2)3 N
【解析】(1)由胡克定律可知
F=kΔx=200×2×10-2 N=4 N。
(2)对结点O受力分析可知,轻质细线的拉力为
FOP=Ftan α
联立解得
FOP=3 N
对物体P受力分析,物体P受到的摩擦力Ff与细绳拉力是一对平衡力,则
Ff=FOP=3 N。
24.【答案】不正确 漏掉了平行于斜面的皮带对圆柱体的力的作用 10 N 18 N
【解析】不正确;漏掉了平行于斜面的皮带对圆柱体的力的作用;应该是
沿斜面方向:Fcos β+F=mgsin α
垂直斜面方向:Fsin β+FN=mgcos α
可得F= mg=×30 N=10 N
FN=mgcos α-Fsin β=30×0.8 N-10×0.6 N=18 N
25.【答案】(1)12 N (2)6 kg
【解析】(1)对物体B:由二力平衡可知细绳拉力大小F=m2g
对物体A受力分析如图所示,由平衡条件得:Fcos θ=Ff
故Ff=m2gcos θ
解得Ff=12 N
(2)设最大静摩擦力为Ffmax,以A为研究对象,A刚要滑动时
在水平方向:F′cos θ=Ffmax
竖直方向:FN+F′sin θ=m1g
Ffmax=μFN
联立解得:F′=60 N.
此时,m2′==6 kg,故物体B的质量不能超过6 kg.
26.【答案】(1)2mg mg (2)mg (3)mg
【解析】(1)由于题图甲中的轻杆可绕B点自由转动,是转轴杆(“活杆”),故其受力方向沿杆方向,O点的受力情况如图a所示,其中FT2=mg,则O点所受的细绳OA的拉力FT1、杆的弹力FN1的合力与细绳OC的拉力大小相等、方向相反,在直角三角形中可得,FT1==2 mg.
题图乙中是用一细绳跨过滑轮悬挂重物的,由于O点处是滑轮,它只是改变细绳中力的方向,并未改变力的大小,且AOC是同一根细绳,而同一根细绳上的力处处相等,故图b中细绳OA的拉力为FT1′=FT2′=mg.
(2)由力的平行四边形定则可知,题图甲中轻杆的弹力FN1′=FN1==mg.
(3)对题图乙中的滑轮进行受力分析,如图b所示,由于杆OB不可转动,所以杆所受弹力的方向不一定沿OB方向,杆对滑轮的作用力一定与两根细绳的合力大小相等、方向相反,FN2′=FN2=2mgcos 60°=mg,则所求力的大小为mg.
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