内容正文:
大题精练02 动力学与能量综合问题
一、考向分析
1.本专题是力学两大观点在多运动过程问题、传送带问题和滑块——木板问题三类问题中的综合应用,高考常以计算题压轴题的形式命题。
2.用到的知识有:动力学方法观点(牛顿运动定律、运动学基本规律),能量观点(动能定理、机械能守恒定律、能量守恒定律)。
二、动力学
牛顿第二运动定律
F合 = ma 或或者 Fx = m ax Fy = m ay
向心力
牛顿第三定律
传送带分析思路
板块分析思路
三、运动学
匀变速直线运动
平均速度:
Vt/ 2 == Vs/2 = 匀加速或匀减速直线运动:Vt/2 <Vs/2
自由落体运动
竖直抛体运动
(注意:时间和速度的对称性)
四、功和能
动能
重力势能
(与零势能面的选择有关)
弹性势能
功
W = Fs cos (恒力做功)
W=Pt(拉力功率不变)
W=f S相对路程 (阻力大小不变)
功率
平均功率: 即时功率:
动能定理
机械能守恒定律
或者Ep= Ek
【例题】(2024•浙江二模)如图所示为某游乐场中一滑道游乐设施的模型简化图,一质量为m=1kg的物块,可视为质点,从某一斜面AB的顶端A由静止开始滑下,斜面下端与一圆形轨道相切于B点。圆轨道半径R=1m,物块从B点进入圆形轨道,并恰好通过轨道的最高点。圆形轨道在最低点C处略有错开,物块接着进入水平轨道CD,然后滑上与D等高的质量为M=2kg的滑槽,并最终滑块未离开滑槽。滑槽开始时静止在光滑水平地面上,EF部分长为LEF=1m,G部分为半径为r=0.2m的四分之一圆弧轨道。已知水平轨道CD长为LCD=4.25m,与物块的动摩擦因数μ1=0.4,物块与滑槽EF之间的动摩擦因数0<μ2<1,其他接触面均光滑。OB与OC的夹角θ为37°,重力加速度g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,不计空气阻力以及轨道连接处的机械能损失。求:
(1)物块在轨道最低点C处受到支持力的大小;
(2)斜面AB的长LAB为多少;
(3)若滑块始终不脱离滑槽,求滑块与滑槽EF段的动摩擦因数μ2的取值范围。
难度:★★★★★ 建议时间:40分钟
1.(2024•金东区校级模拟)如图所示,AOB是游乐场中的滑道模型,位于竖直平面内,由两个半径为R的圆周连接而成,它们的圆心O1、O2与两圆弧的连接点O在同一竖直线上。O2B沿水池的水面方向,B点右侧为无穷大水平面,水平面上有一系列沿O2B方向的漂浮的木板,木板的质量为M,长度为2l。一质量为m的小孩(可视为质点)可由弧AO的任意点静止开始下滑。不考虑水与木板接触面的阻力,设木板质量足够大且始终处于水平面上。
(1)若小孩恰能在O点脱离滑道,求小孩静止下滑处距O点的高度?
(2)凡能在O点脱离滑道的小孩,其落水点到O2的距离范围?
(3)若小孩从O点静止下滑,求脱离轨道时的位置与O2的连线与竖直方向夹角的余弦值?
(4)某小孩从O点脱离滑道后,恰好落在某木板的中央,经过一段时间振荡和调节后,该木板和小孩处于静止状态,小孩接下来开始在木板上表演水上漂。如果小孩能一次跳离木板,求小孩做功的最小值?
2.(2024•乐清市校级三模)某景区向社会征集一个水上乐园设计建议。某校科技小组设计了一套方案,其简化原理如图。甲、乙、丙由混凝土浇筑而成,其中甲上部为半径为R1=10m的圆弧面,圆心角θ1=53°;乙上部为两个半径均为R2=10m、圆心角为θ2=37°的圆弧面平滑连接,EF等高。BC距离L1=10m,其间有水下固定平台,其周围的水可在水泵驱动下循环流动,方向如箭头所示,速度v大小可调,平台上方各处速度均可视为相同。乙下方为有孔隔板,可大幅减小左侧水域流动对右侧水域的影响,乙丙之间水域可视为静水,上浮质量为M=100kg、长为L=6m的可动浮台。现有一游客乘坐特定装置(人和该装置视为质点并标注为P,总质量为m=60kg),P从A点静止释放,依次通过ABCDE,最后通过可动浮台,到达终点平台丙完成游戏。可动浮台触碰平台丙时瞬间自动锁定。由于出发时P干燥,AB段摩擦不可忽略,P在B点时对轨道的压力为1.5mg,在BC间与水有相对运动时,受水平方向的恒力F=0.5mg,在CDE段因经左侧水域而湿润,摩擦可忽略,与可动浮台动摩擦因数为μ=0.1。不考虑P和可动浮台入水后的水下部分以及水位上升和波动带来的影响。
(1)求B点速度大小和AB段因摩擦而产生的热量。
(2)CDE段恰不脱离脱离轨道,求P在C点和E点的速度。
(3)若忽略可动浮台与水面的阻力,为使P在CDE段恰不脱离脱且不能在EF间落水,求BC间水速的调节范围。
3.(2024•温州二模)一游戏装置竖直截面如图所示,该装置由倾角θ=53°的固定斜面CD、水平传送带EF、粗糙水平轨道FG、光滑圆弧轨道GPQ、及固定在Q处的弹性挡板组成。斜面CD高度h0=0.4m,传送带EF与轨道FG离地面高度均为h,两者长度分别为l1=4m、l2=1.5m,OG、OP分别为圆弧轨道的竖直与水平半径,半径R=0.8m,圆弧PQ所对应的圆心角α=37°,轨道各处平滑连接。现将质量m=1kg的滑块(可视为质点)从斜面底端的弹射器弹出,沿斜面从D点离开时速度大小v0=5m/s,恰好无碰撞从E点沿水平方向滑上传送带。当传送带以v=5m/s的速度顺时针转动,滑块恰好能滑至P点。已知滑块与传送带间的动摩擦因数μ1=0.5,滑块与挡板碰撞后原速率反向弹回,不计空气阻力。sin37°=0.6,cos37°=0.8,求:
(1)高度h;
(2)滑块与水平轨道FG间的动摩擦因数μ2;
(3)滑块最终静止时离G点的距离x;
(4)若传送带速度大小可调,要使滑块与挡板仅碰一次,且始终不脱离轨道,则传送带速度大小v的范围。
4.(2024•下城区校级模拟)某校科技小组在创新大赛中设计如图所示的轨道装置,已知倾角θ=37°的斜轨道AD长为L=3.5m,在轨道中点B点连接一光滑的双层圆轨道,切点B和B'稍错位,轨道半径R=0.5m,D点连接水平轨道DE,长为s=0.8m,E点离地面高度为h1=2.3m。质量m=0.2kg的滑块以一定初速度从A点出发,经过圆轨道从E点平抛飞出,落入放置在水平地面上高为h2=0.5m的小桶内,小桶直径为d=0.3m。滑块可看作质点,圆轨道间距可忽略,滑块与斜轨道、水平轨道的动摩擦因数均为μ=0.25,不计空气阻力和滑块在D点的能量损失。(已知g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
(1)若滑块初速度为零,求到达B点时的速度大小;
(2)若滑块的初速度v0=4m/s,求到达圆轨道最高点C处时对轨道的压力;
(3)要使滑块落入小桶内,求小桶左侧离F点的水平距离x与滑块初速度v0的关系。
5.(2023•绍兴模拟)有一种水上滑梯的结构可以简化如图甲:可看作质点的总质量为m的滑船(包括游客),从倾角θ=37°的光滑斜轨道上高为H=0.25R的A点由静止开始下滑,到达离地高为h=0.2R的B点时,进入一段与斜轨道相切的半径为R的光滑圆弧轨道BCD(C点为与地面相切的圆弧轨道最低点,BD两点等高,CE、EG在同一水平面内),紧接着滑上一底面离地高度也为h且与水平面成β=60°角的足够大光滑斜面abcd(圆弧轨道在D点切线恰好在斜面abcd内,切线方向与斜面水平底边ad成夹角α=60°),当滑船沿斜面上升到最高点J(图中未画出)时,会触发一个提供水平风力的装置(图中未画出),装置开始在整个斜面内提供水平风力(如图乙)。滑船最后在斜面水平底边ad上某点进入动摩擦因数为μ的足够大水平接收平台defp(不计进入时的能量损失)。
(1)求滑船滑到C点时对圆弧轨道的压力大小;
(2)在触发风力装置前,求滑船在斜面上运动的加速度大小和运动最高点J到水平底边ad的距离;
(3)当水平风力大小为F0时,滑船运动到最高点J后的轨迹与斜面底线ad的交点为E(E点未画出),JE恰好垂直底线ad;现改变风力为F(滑船在整个斜面运动过程中F不变,且F≤F0),求滑船在接收平台defp内滑行总路程S的可能范围。
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大题精练02 动力学与能量综合问题
一、考向分析
1.本专题是力学两大观点在多运动过程问题、传送带问题和滑块——木板问题三类问题中的综合应用,高考常以计算题压轴题的形式命题。
2.用到的知识有:动力学方法观点(牛顿运动定律、运动学基本规律),能量观点(动能定理、机械能守恒定律、能量守恒定律)。
二、动力学
牛顿第二运动定律
F合 = ma 或或者 Fx = m ax Fy = m ay
向心力
牛顿第三定律
传送带分析思路
板块分析思路
三、运动学
匀变速直线运动
平均速度:
Vt/ 2 == Vs/2 = 匀加速或匀减速直线运动:Vt/2 <Vs/2
自由落体运动
竖直抛体运动
(注意:时间和速度的对称性)
四、功和能
动能
重力势能
(与零势能面的选择有关)
弹性势能
功
W = Fs cos (恒力做功)
W=Pt(拉力功率不变)
W=f S相对路程 (阻力大小不变)
功率
平均功率: 即时功率:
动能定理
机械能守恒定律
或者Ep= Ek
【例题】(2024•浙江二模)如图所示为某游乐场中一滑道游乐设施的模型简化图,一质量为m=1kg的物块,可视为质点,从某一斜面AB的顶端A由静止开始滑下,斜面下端与一圆形轨道相切于B点。圆轨道半径R=1m,物块从B点进入圆形轨道,并恰好通过轨道的最高点。圆形轨道在最低点C处略有错开,物块接着进入水平轨道CD,然后滑上与D等高的质量为M=2kg的滑槽,并最终滑块未离开滑槽。滑槽开始时静止在光滑水平地面上,EF部分长为LEF=1m,G部分为半径为r=0.2m的四分之一圆弧轨道。已知水平轨道CD长为LCD=4.25m,与物块的动摩擦因数μ1=0.4,物块与滑槽EF之间的动摩擦因数0<μ2<1,其他接触面均光滑。OB与OC的夹角θ为37°,重力加速度g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,不计空气阻力以及轨道连接处的机械能损失。求:
(1)物块在轨道最低点C处受到支持力的大小;
(2)斜面AB的长LAB为多少;
(3)若滑块始终不脱离滑槽,求滑块与滑槽EF段的动摩擦因数μ2的取值范围。
【解答】解:(1)物体恰好通过轨道的最高点,重力完全提供向心力;
根据牛顿第二定律
代入数据解得最高点的速度
从圆形轨道最高点到C点,根据动能定理
代入数据解得
在C点由牛顿第二定律
代入数据解得FN=60N
(2)从A到C应用动能定理
代入数据解得
(3)物体从C到D,根据动能定理
代入数据解得vD=4m/s
对物块与滑槽,滑块始终不脱离滑槽,最终二者共速,取水平向右为正方向;
根据水平方向动量守恒mvD=(M+m)v1
代入数据解得
若滑块刚好能滑到最高点G,根据能量守恒定律
代入数据解得
若滑到最高点G又滑到E处,根据能量守恒定律
代入数据解得
因此,若滑块始终不脱离滑槽,则对动摩擦因数的要求是。
答:(1)物块在轨道最低点C处受到支持力的大小60N;
(2)斜面AB的长LAB为;
(3)滑块与滑槽EF段的动摩擦因数μ2的取值范围。
难度:★★★★★ 建议时间:40分钟
1.(2024•金东区校级模拟)如图所示,AOB是游乐场中的滑道模型,位于竖直平面内,由两个半径为R的圆周连接而成,它们的圆心O1、O2与两圆弧的连接点O在同一竖直线上。O2B沿水池的水面方向,B点右侧为无穷大水平面,水平面上有一系列沿O2B方向的漂浮的木板,木板的质量为M,长度为2l。一质量为m的小孩(可视为质点)可由弧AO的任意点静止开始下滑。不考虑水与木板接触面的阻力,设木板质量足够大且始终处于水平面上。
(1)若小孩恰能在O点脱离滑道,求小孩静止下滑处距O点的高度?
(2)凡能在O点脱离滑道的小孩,其落水点到O2的距离范围?
(3)若小孩从O点静止下滑,求脱离轨道时的位置与O2的连线与竖直方向夹角的余弦值?
(4)某小孩从O点脱离滑道后,恰好落在某木板的中央,经过一段时间振荡和调节后,该木板和小孩处于静止状态,小孩接下来开始在木板上表演水上漂。如果小孩能一次跳离木板,求小孩做功的最小值?
【解答】解:(1)若小孩恰能在O点脱离滑道,此时向心力由重力提供
该过程的机械能守恒
解得
(2)凡能在O点脱离滑道的小孩,其距离O点的高度范围是
由机械能守恒
平抛运动的初速度为
平抛运动的时间为
其落水点到O2的距离
其落水点到O2的距离范围
(3)若小孩从O点静止下滑,脱离轨道时的位置与O2的连线与竖直方向夹角设为θ,则
由机械能守恒
解得
(4)根据题意,木板质量足够大,分析第一次跳离木板,可看作斜向右上方的斜抛运动,水平位移最小为l,水平初速度为vx,竖直初速度为vy
小孩做功
结合数学关系,可以求出时,存在最小的功
答:(1)小孩静止下滑处距O点的高度;
(2)凡能在O点脱离滑道的小孩,其落水点到O2的距离范围;
(3)若脱离轨道时的位置与O2的连线与竖直方向夹角的余弦值;
(4)小孩做功的最小值。
2.(2024•乐清市校级三模)某景区向社会征集一个水上乐园设计建议。某校科技小组设计了一套方案,其简化原理如图。甲、乙、丙由混凝土浇筑而成,其中甲上部为半径为R1=10m的圆弧面,圆心角θ1=53°;乙上部为两个半径均为R2=10m、圆心角为θ2=37°的圆弧面平滑连接,EF等高。BC距离L1=10m,其间有水下固定平台,其周围的水可在水泵驱动下循环流动,方向如箭头所示,速度v大小可调,平台上方各处速度均可视为相同。乙下方为有孔隔板,可大幅减小左侧水域流动对右侧水域的影响,乙丙之间水域可视为静水,上浮质量为M=100kg、长为L=6m的可动浮台。现有一游客乘坐特定装置(人和该装置视为质点并标注为P,总质量为m=60kg),P从A点静止释放,依次通过ABCDE,最后通过可动浮台,到达终点平台丙完成游戏。可动浮台触碰平台丙时瞬间自动锁定。由于出发时P干燥,AB段摩擦不可忽略,P在B点时对轨道的压力为1.5mg,在BC间与水有相对运动时,受水平方向的恒力F=0.5mg,在CDE段因经左侧水域而湿润,摩擦可忽略,与可动浮台动摩擦因数为μ=0.1。不考虑P和可动浮台入水后的水下部分以及水位上升和波动带来的影响。
(1)求B点速度大小和AB段因摩擦而产生的热量。
(2)CDE段恰不脱离脱离轨道,求P在C点和E点的速度。
(3)若忽略可动浮台与水面的阻力,为使P在CDE段恰不脱离脱且不能在EF间落水,求BC间水速的调节范围。
【解答】解:(1)设P在B点的速度为vB,根据题意可得
解得
P从A到B的过程中,根据能量守恒定律
联立上述各式解得
Q=900J
(2)在D点时,则有
解得
从C到D的过程中,根据机械能守恒定律可得
解得
同理,从D到E则有
解得
(3)由上述分析可知,在不脱离CDE的情况下,E点的速度满足
考虑EF间不落水,恰至边缘二者共速,取向右为正方向,有
mvE=(M+m)v
解得
若二者提前共速,后滑动到终点,取向右为正方向,有
mvE=(M+m)v'
2μg(L﹣x)=v'2
解得
从C到E
对应C点的速度为
即
9.78m/s≤vC≤9.96m/s
若在BC过程一直加速,则有
F=0.5mg=ma
解得
若一直减速,则不可能达到C点。综上所述,可调节的水流速度
9.78m/s≤v≤9.96m/s
答:(1)B点速度大小和AB段因摩擦而产生的热量900J。
(2)CDE段恰不脱离脱离轨道,P在C点和E点的速度分别为,。
(3)若忽略可动浮台与水面的阻力,为使P在CDE段恰不脱离脱且不能在EF间落水,BC间水速的调节范围9.78m/s≤vC≤9.96m/s。
3.(2024•温州二模)一游戏装置竖直截面如图所示,该装置由倾角θ=53°的固定斜面CD、水平传送带EF、粗糙水平轨道FG、光滑圆弧轨道GPQ、及固定在Q处的弹性挡板组成。斜面CD高度h0=0.4m,传送带EF与轨道FG离地面高度均为h,两者长度分别为l1=4m、l2=1.5m,OG、OP分别为圆弧轨道的竖直与水平半径,半径R=0.8m,圆弧PQ所对应的圆心角α=37°,轨道各处平滑连接。现将质量m=1kg的滑块(可视为质点)从斜面底端的弹射器弹出,沿斜面从D点离开时速度大小v0=5m/s,恰好无碰撞从E点沿水平方向滑上传送带。当传送带以v=5m/s的速度顺时针转动,滑块恰好能滑至P点。已知滑块与传送带间的动摩擦因数μ1=0.5,滑块与挡板碰撞后原速率反向弹回,不计空气阻力。sin37°=0.6,cos37°=0.8,求:
(1)高度h;
(2)滑块与水平轨道FG间的动摩擦因数μ2;
(3)滑块最终静止时离G点的距离x;
(4)若传送带速度大小可调,要使滑块与挡板仅碰一次,且始终不脱离轨道,则传送带速度大小v的范围。
【解答】解:(1)从D到E过程中滑块做斜抛运动,把D点速度分解到竖直和水平方向,
竖直方向:vy=v0sinθm/s=4m/s
水平方向:vx=v0cosθm/s=3m/s
运动到E点时竖直方向上速度为零,由运动学公式
得 y=0.8m
所以,h=y+h0=0.8m+0.4m=1.2m
(2)滑块以vx=3m/s滑上传送带,假设能被加速到v=5m/s,则:
成立。
故滑块离开F点的速度vF=5m/s
从F到P过程应用动能定理得
解得:μ2=0.3
(3)由分析可知,物块从P返回后向左进入传送带,又以原速率返回,设物块从P返回后,在FG之间滑行的总路程为s,对全过程应用动能定理得
mgR﹣μ2mgs=0
解得:
所以,滑块停止时离G点:
(4)设传送带速度为v1时,滑块恰能到Q点,
在Q点满足:,得:
从F到Q应用动能定理得
解得:
设传送带速度为v2时,滑块撞挡板后恰能重新返回到P点,对该过程应用动能定理得
解得:
若滑块被传送带一直加速,则: 可得vm=7m/s
所以,传送带可调节的速度范围为m/s≤vm/s
故答案为:(1)高度h为1.2m;
(2)滑块与水平轨道FG间的动摩擦因数μ2为0.3;
(3)滑块最终静止时离G点的距离x为;
(4)传送带可调节的速度范围为m/s≤vm/s
4.(2024•下城区校级模拟)某校科技小组在创新大赛中设计如图所示的轨道装置,已知倾角θ=37°的斜轨道AD长为L=3.5m,在轨道中点B点连接一光滑的双层圆轨道,切点B和B'稍错位,轨道半径R=0.5m,D点连接水平轨道DE,长为s=0.8m,E点离地面高度为h1=2.3m。质量m=0.2kg的滑块以一定初速度从A点出发,经过圆轨道从E点平抛飞出,落入放置在水平地面上高为h2=0.5m的小桶内,小桶直径为d=0.3m。滑块可看作质点,圆轨道间距可忽略,滑块与斜轨道、水平轨道的动摩擦因数均为μ=0.25,不计空气阻力和滑块在D点的能量损失。(已知g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
(1)若滑块初速度为零,求到达B点时的速度大小;
(2)若滑块的初速度v0=4m/s,求到达圆轨道最高点C处时对轨道的压力;
(3)要使滑块落入小桶内,求小桶左侧离F点的水平距离x与滑块初速度v0的关系。
【解答】解:(1)滑块由静止从A到B过程中,根据动能定理,有
代入数据解得vBm/s
(2)滑块再次从A到C过程,根据动能定理得
在C点,根据牛顿第二定律得
联立解得F=2.8N,根据牛顿第三定律,滑块对轨道的压力F'=﹣F=﹣2.8N,方向竖直向上;
(3)若滑块恰好通过C点,则vC=0,根据动能定理得
解得vA=2m/s
滑块从A到E过程中,根据动能定理得
解得
滑块平抛运动的高度h=h1﹣h2=2.3m﹣0.5m=1.8m,根据平抛运动的规律
桶左端离F点最大距离x1=vEt,最小距离x2=vEt﹣d;
综上可知,x与v0关系为,且v0≥2m/s
答:(1)到达B点时的速度大小为m/s;
(2)最高点C处时对轨道的压力为2.8N,方向竖直向上;
(3)x与v0的关系为,且v0≥2m/s。
5.(2023•绍兴模拟)有一种水上滑梯的结构可以简化如图甲:可看作质点的总质量为m的滑船(包括游客),从倾角θ=37°的光滑斜轨道上高为H=0.25R的A点由静止开始下滑,到达离地高为h=0.2R的B点时,进入一段与斜轨道相切的半径为R的光滑圆弧轨道BCD(C点为与地面相切的圆弧轨道最低点,BD两点等高,CE、EG在同一水平面内),紧接着滑上一底面离地高度也为h且与水平面成β=60°角的足够大光滑斜面abcd(圆弧轨道在D点切线恰好在斜面abcd内,切线方向与斜面水平底边ad成夹角α=60°),当滑船沿斜面上升到最高点J(图中未画出)时,会触发一个提供水平风力的装置(图中未画出),装置开始在整个斜面内提供水平风力(如图乙)。滑船最后在斜面水平底边ad上某点进入动摩擦因数为μ的足够大水平接收平台defp(不计进入时的能量损失)。
(1)求滑船滑到C点时对圆弧轨道的压力大小;
(2)在触发风力装置前,求滑船在斜面上运动的加速度大小和运动最高点J到水平底边ad的距离;
(3)当水平风力大小为F0时,滑船运动到最高点J后的轨迹与斜面底线ad的交点为E(E点未画出),JE恰好垂直底线ad;现改变风力为F(滑船在整个斜面运动过程中F不变,且F≤F0),求滑船在接收平台defp内滑行总路程S的可能范围。
【解答】解:(1)滑船从 A点滑到C点时,由机械能守恒定律可知mgHm,在C点时由牛顿第二定律可得FNC﹣mg=m,解得FNC=1.5mg。
(2)划船到达D点时速度mg(H﹣h)m,解得vD,滑船在斜面上只受重力和斜面的支持力,则运动的加速度大小,ag,运动最高点J到水平底边ad的距离s。
(3)当水平风力大小为F0时,从最高点ad,则沿斜面方向 vDsinα=at,沿平行斜面方向t=2vDcosα,解得F0=mg,此时回到ad面时沿着垂直ad方向的速度大小为vy=vDsinα,沿着ad方向的速度大小依然为vx=vDcosα,即进入平台的速度仍为vD最大,则进入平台后的位移最大,因进入defp内做匀减速运动,加速的a=μg,则最终滑行的最大路程为Smax,现改变风力为F,因F≤F0,则滑船回到ad边时沿垂直ad方向的速度不变,若沿ad方向的速度为零,此时进入平台的速度最小,此时vDcosα,可解得F=0.5mg,则进入平台的最小位移为smin,即滑船在接收平台defp内滑行总路程S的可能范围~。
答:(1)压力大小为1.5mg。
(2)加速度大小a,运动最高点J到水平底边ad的距离为。
(3)滑船在接收平台defp内滑行总路程S的可能范围~。
原创精品资源学科网独家享有版权,侵权必究!
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