内容正文:
课时跟踪练43 带电粒子在有界匀强磁场中的运动
(1—7题,每题4分)
1.(2026)如图所示,MN右侧有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B。质量为m、电荷量为q的两个电性不同的粒子,均以与MN夹角为θ、大小为v的速度垂直磁场射入。不计重力及粒子间的相互作用,则两粒子( )
A.在磁场中运动轨迹的半径不同
B.在磁场中运动的时间不同
C.射出磁场时的速度方向不同
D.射出位置到射入位置的距离不同
解析:由qvB=m可得r=,故两粒子在磁场中运动轨迹的半径相同。如图所示,正电荷粒子的运动轨迹为大圆弧,负电荷粒子的运动轨迹为小圆弧
射出磁场时的速度方向相同,故A、C错误;
粒子在磁场中运动的周期T=
若粒子带负电荷,在磁场中运动的时间t1=T=
若粒子带正电荷,在磁场中运动的时间t2=T=
故两粒子在磁场中运动的时间不同,故B正确;
由几何关系可知,两粒子射出位置到射入位置的距离相同,大小等于d=2rsin θ,故D错误。
答案:B
2.(多选)两个带等量异种电荷的粒子分别以速度va和vb射入匀强磁场,两粒子的入射方向与磁场边界的夹角分别为60°和30°,磁场宽度为d,两粒子同时由A点出发,同时到达B点,如图所示,则( )
A.a粒子带正电,b粒子带负电
B.两粒子的轨道半径之比Ra∶Rb=∶1
C.两粒子的质量之比ma∶mb=1∶2
D.两粒子的质量之比ma∶mb=2∶1
解析:由左手定则可得a粒子带负电,b粒子带正电,故A错误;粒子做匀速圆周运动,运动轨迹如图所示,则Ra==d,Rb==d,所以Ra∶Rb=∶1,故B正确;由几何关系可得,从A运动到B,a粒子转过的圆心角为60°,b粒子转过的圆心角为120°,ta==tb=,则Ta∶Tb=2∶1,再根据洛伦兹力提供向心力可得Bvq=,所以运动周期T==,根据a、b两粒子电荷量相等,可得ma∶mb=Ta∶Tb=2∶1,故C错误,D正确。
答案:BD
3.(多选)如图所示,A点的离子源沿纸面垂直OQ方向向上射出一束负离子,离子的重力忽略不计。为把这束负离子约束在OP之下的区域,可加垂直纸面的匀强磁场。已知O、A两点间的距离为s,负离子的比荷为,速率为v,OP与OQ间的夹角为30°,则所加匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向可能是( )
A.B>,垂直纸面向里
B.B>,垂直纸面向里
C.B>,垂直纸面向外
D.B>,垂直纸面向外
解析:当磁场方向垂直纸面向里时,离子恰好与OP相切的轨迹如图甲所示,切点为M,设轨迹半径为r1,由几何关系可知sin 30°=,可得r1=s,由r1=可得B1=;当磁场方向垂直纸面向外时,其临界轨迹如图乙所示,切点为N,由几何关系知s=+r2,得r2=,又r2=,所以B2=,综合上述分析可知,选项B、D正确,A、C错误。
答案:BD
4.(多选)(2026)如图所示,在一个边长为a的正六边形区域内,存在磁感应强度为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场,三个相同的带正电粒子,比荷为,先后从A点沿AD方向以大小不等的速率射入匀强磁场区域,已知粒子只受磁场的作用力,则( )
A.从F点飞出磁场的粒子速度大小为
B.所有从AF边上飞出磁场的粒子,在磁场中的运动时间都相同
C.从E点飞出磁场的粒子,在磁场中的运动时间为
D.从ED边上的某一点垂直于ED飞出磁场的粒子,其轨道半径为2a
解析:设从F点飞出的粒子在正六边形区域磁场中做圆周运动的半径为r1,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得qvB=m,由几何关系可得r1==,联立解得v=,故A错误;粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期为T=,所有从AF边上飞出磁场的粒子,在磁场中转过的圆心角均为120°,则在磁场中的运动时间均为t=T=×=,故B正确;由几何关系可得,从E点飞出的粒子在磁场中转过的圆心角为60°,粒子在磁场中的运动时间为t=T=×=,故C正确;由几何关系可得,从ED边上的某一点垂直于ED飞出磁场的粒子,在磁场中转过的圆心角为30°,则有AE=2acos 30°=a,r3==2a,故D正确。
答案:BCD
5.(多选)(2026)如图所示,在圆形边界的磁场区域,氕核H和氘核H先后从P点沿圆形边界的直径入射,从射入磁场到射出磁场,氕核H和氘核H的速度方向分别偏转了60°和120°角,已知氕核H在磁场中运动的时间为t0,轨迹半径为R。不计粒子重力及粒子间的相互作用,则下列说法正确的是( )
A.氘核H在该磁场中运动的时间为2t0
B.氘核H在该磁场中运动的时间为4t0
C.氘核H在该磁场中运动的轨迹半径为R
D.氘核H在该磁场中运动的轨迹半径为R
解析:由题意,作出两核在磁场中的运动轨迹示意图如图所示,原子核在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力有qvB=m,T==,两核在磁场中运动时间t=T=,将两核比荷之比为2∶1、运动轨迹所对应圆心角之比为1∶2代入可得氘核H在该磁场中运动的时间为t'=4t0,故A错误,B正确;设磁场圆半径为r,氕核H和氘核H的轨迹圆圆心分别为O1、O2,分别从A点、C点射出磁场,氘核H在磁场中运动的轨迹半径为R2,则对△PAB,由几何关系可得R=r,对△O2PO,由几何关系可得R2=r,可得出R2=R,故C错误,D正确。
答案:BD
6.(多选)(2026)如图所示,等腰直角三角形abc区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,d为ac边的中点,e为bc边上的一点。现有一带正电的粒子(不计重力)从a点以大小不同的速率沿ab方向射入磁场,分别从d、c、e点射出磁场,其轨迹圆心分别为O1、O2、O3(图中未标出),所用时间分别为t1、t2、t3,且t1∶t3=3∶2,ab边长度为L,则( )
A.t2∶t3=3∶2
B.带电粒子的比荷为
C.带电粒子从c点与从e点射出的速率之比为∶2
D.O1、O3两点距离为L
解析:粒子运动轨迹如图所示,
从d、c两点射出时,对应的圆心角相等,都等于90°,所以它们在磁场中运动的时间也相等,即t1=t2,又由于t1∶t3=3∶2,因此t2∶t3=3∶2,故A正确;由于t1∶t3=3∶2,又因为从d点射出时对应的圆心角为90°,所以从e点射出时,对应的圆心角为60°,即t3=T=×,变形得=,故B错误;根据ab=L,由几何关系得rd=O1d=L,rc=O2c=L,re=O3e=ae=,根据牛顿第二定律得qvB=m,得v=,由于q、m、B相同,速度与半径成正比===,故C正确;O1、O3两点距离为Δx=re-rd=L,故D正确。
答案:ACD
7.(多选)(2026)如图所示,环状匀强磁场围成的中空区域中的带电粒子只要速度不是很大,都不会穿出磁场的外边缘而被约束在该区域内。设环状磁场的内半径R1=1 m,外半径R2=2 m,若被束缚的带电粒子的比荷=1×107 C/kg,中空区域内带电粒子具有各个方向的速度,速度大小均为3×107 m/s,sin 37°=0.6。下列说法正确的是( )
A.为使沿半径方向射入磁场的粒子均被束缚,磁感应强度最小值为2 T
B.为使沿半径方向射入磁场的粒子均被束缚,磁感应强度最小值为4 T
C.为使所有粒子被束缚,磁感应强度最小值为6 T
D.若沿半径方向射入磁场的粒子恰被束缚,则粒子在磁场中运动一次速度方向改变37°
解析:沿半径射入磁场的粒子恰好被束缚,如图所示
根据几何关系可得R2=r+,代入数据解得r=0.75 m
由洛伦兹力提供向心力可得qvB=m,解得B==4 T
可知为使沿半径方向射入磁场的粒子均被束缚,磁感应强度最小值为4 T;由图中几何关系可得tan θ==,可得θ=53°
沿半径方向射入磁场的粒子恰被束缚,则粒子在磁场中运动一次速度方向改变的夹角为α=360°-2θ=360°-2×53°=254°,故A、D错误,B正确;为使所有粒子被束缚,如图所示
可知半径最大值为r'==0.5 m,根据qvB'=m
可得B==6 T
可知为使所有粒子被束缚,磁感应强度最小值为6 T,故C正确。
答案:BC
(8—9题,每题4分)
8.(多选)在如图所示的平面内,分界线SP将宽度为L的矩形区域分成两部分,一部分充满方向垂直于纸面向外的匀强磁场,另一部分充满方向垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小均为B,SP与磁场左右边界垂直。离子源从S处射入速度大小不同的正离子,离子入射方向与磁场方向垂直且与SP成30°角。已知离子比荷为k,不计重力。若离子从P点射出,设出射方向与入射方向的夹角为θ,则离子的入射速度和对应θ角的可能组合为( )
A.kBL,0° B.kBL,0°
C.kBL,60° D.2kBL,60°
解析:若粒子通过下部分磁场直接到达P点,如图甲所示,则根据几何关系有R=L,qvB=m,可得v==kBL,根据对称性可知出射速度与SP成30°角向上,故出射方向与入射方向的夹角为θ=60°。当粒子上下均经历一次时,如图乙所示,因为上下磁感应强度均为B,则根据对称性有R=L,根据洛伦兹力提供向心力有qvB=m,可得v==kBL,此时出射方向与入射方向相同,即出射方向与入射方向的夹角为θ=0°。通过以上分析可知当粒子从下部分磁场射出时,需满足v==kBL(n=1,2,3,…),此时出射方向与入射方向的夹角为θ=60°;当粒子从上部分磁场射出时,需满足v==kBL(n=1,2,3,…),此时出射方向与入射方向的夹角为θ=0°,综合上述可知,B、C正确。
答案:BC
9.(多选)(2026)如图所示,真空区域有同心正方形ABCD和abcd,其各对应边平行,ABCD的边长一定,abcd的边长可调,两正方形之间充满恒定匀强磁场,方向垂直于正方形所在平面。A处有一个粒子源,可逐个发射速度不等、比荷相等的粒子,粒子沿AD方向进入磁场。调整abcd的边长,可使速度大小合适的粒子经ad边穿过无磁场区后由BC边射出。对满足前述条件的粒子,下列说法正确的是( )
A.若粒子穿过ad边时速度方向与ad边的夹角为45°,则粒子必垂直于BC射出
B.若粒子穿过ad边时速度方向与ad边的夹角为60°,则粒子必垂直于BC射出
C.若粒子经cd边垂直于BC射出,则粒子穿过ad边时速度方向与ad边夹角必为45°
D.若粒子经bc边垂直于BC射出,则粒子穿过ad边时速度方向与ad边夹角必为60°
解析:根据题意可知,粒子一定从ad边进入无磁场区,当粒子穿过ad边时速度方向与ad边夹角为45°时,由几何关系可知其一定穿过dc边进入磁场,然后由BC边射出,则其运动轨迹如图甲所示,由对称性可知,该粒子垂直于BC射出,A正确;当粒子穿过ad边时速度方向与ad边的夹角为60°时,若其从cd边射出无磁场区,假设其能垂直于BC射出,则其运动轨迹如图乙所示,根据几何关系可知r(1-cos 60°)<rsin 30°,与sin 30°=1-cos 60°=矛盾,显然假设不成立,该粒子不能垂直于BC射出,B错误;若粒子经cd边垂直于BC射出,其运动轨迹如图丙所示,则由几何关系可知,该运动轨迹关于线段BD对称,所以两段圆弧轨迹所对圆心角相等,又两圆心角的和为90°,所以粒子穿过ad边时速度方向与ad边的夹角为45°,C正确;若粒子经bc边垂直于BC射出,其运动轨迹如图丁所示,由几何关系有r(1-cos θ1)=rsin θ2,又θ1+θ2=90°,解得粒子穿过ad边时速度方向与ad边的夹角为60°,D正确。
答案:ACD
10.(11分)(2026)宇宙中高能带电粒子危害极大。如图所示为某同学设计的磁场分布可将高能粒子束缚其中。PQ、MN为两平行的直线,间距为d,两直线之间为真空区域;MN下方和PQ上方的无限大空间有垂直于纸面向里的匀强磁场Ⅰ和Ⅱ,且Ⅰ的磁感应强度为B。现有一质量为m、电荷量为-q的高能粒子,以速度v0(v0未知)从MN上A点射入真空区域,方向与MN成θ=45°角,已知粒子经磁场Ⅱ和Ⅰ各偏转一次后恰好返回A点,且粒子在磁场Ⅱ中做圆周运动的半径是在Ⅰ中的3倍,不计粒子所受的重力,求:
(1)磁场Ⅱ的磁感应强度大小B2和v0的大小;
(2)粒子从A点出发到第一次返回A点所用的时间t。
解析:(1)根据题意,粒子轨迹如图所示
根据洛伦兹力提供向心力有qv0B=,qv0B2=
又r2=3r1,解得B2=
由几何关系可知2d+r1=r2,则r1=d,r2=d
联立解得v0=。
(2)由几何关系可知α1=,α2=π
则粒子运动的时间为t1=T1,t2=T2
根据周期公式有T1=,T2=
粒子在真空区域运动的时间为t0=
粒子从A点出发到第一次返回A点所用的时间为t=t1+t2+2t0
解得t=(5π+4)。
答案:(1) (2)(5π+4)
11.(13分)(2026)如图所示,平面直角坐标系xOy中,在x≤0.96 m区域内有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度B1为0.2 T,x轴上的P点距离坐标原点1.60 m,在虚线xA=0.96 m和xP=1.60 m间无磁场,x>1.60 m、y>0区域有垂直纸面向外的匀强磁场B2(图中未画出),x>1.60 m、y<0区域有垂直纸面向里的匀强磁场B3(图中未画出),磁感应强度B3为0.2 T。比荷为50 C/kg的带正电的粒子沿y轴正方向由O点射入磁场,不计粒子的重力。
(1)要使粒子不进入虚线xA=0.96 m的右侧,求射入磁场粒子的最大速度。
(2)要使粒子进入无场区域后直接到达P点,求射入磁场粒子的速度。
(3)现将一块长度为0.3 m的荧光板放置在x轴上,板的中点Q位于x轴上的3.43 m处,欲使进入无场区域后直接到达P点的粒子恰能打在荧光板的上表面,求匀强磁场磁感应强度B2的大小范围(计算结果保留两位有效数字)。
解析:(1)要使粒子不进入虚线xA=0.96 m的右侧,则粒子轨迹与虚线xA=0.96 m相切,由几何关系可知粒子运动的最大半径r1=0.48 m,根据洛伦兹力提供向心力有qvmB1=
联立解得vm=4.8 m/s。
(2)若粒子通过磁场边界后直接到达P点,设粒子在左侧磁场半径为r2,由几何关系可知=
解得r2=0.6 m
根据洛伦兹力提供向心力有qvB1=,联立解得v=6 m/s。
(3)由几何关系可知粒子过 P点时与x轴的夹角为θ=37°
粒子通过P点后,在右下方磁场中运动半径为r3,则有qvB3=
解得r3=0.6 m
根据几何关系可知xPP1=2r3sin θ=0.72 m
当粒子从上方直接打到荧光板左端,由几何关系可得
xQ--xP-xPP1=2r4sin θ
且有qvB2=
联立解得B2=0.15 T
当粒子从上方直接打到荧光板右端,由几何关系可得
xQ+-xP-xPP1=2r5sin θ
且有qvB2=
联立解得B2≈0.11 T
同理,当粒子经过x轴上下各2次打到荧光板左端,由几何关系可得xQ--xP-2xPP1=2×2r6sin θ且有qvB2=,联立解得B2=1.2 T
当粒子经过x轴上下各2次打到荧光板右端,由几何关系可得xQ+-xP-2=2×2r7sin θ
因为2r7sin θ=0.27 m<0.3 m
说明经过两次x轴下方已经打到Q板的下方,无法经过x轴上下各2次打到荧光板右端,所以假设不成立。当粒子经过x轴上方1次,下方2次打到荧光板左端,由几何关系可得xQ--xP-2xPP1=2r8sin θ
且有qvB2=
联立解得B2=0.60 T
综上,匀强磁场磁感应强度B2的大小范围为0.11 T≤B2≤0.15 T或0.60 T≤B2≤1.2 T。
答案:(1)4.8 m/s (2)6 m/s (3)0.11 T≤B2≤0.15 T或0.60 T≤B2≤1.2 T
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课时跟踪练43 带电粒子在有界匀强磁场中的运动
(1—7题,每题4分)
1.(2026)如图所示,MN右侧有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B。质量为m、电荷量为q的两个电性不同的粒子,均以与MN夹角为θ、大小为v的速度垂直磁场射入。不计重力及粒子间的相互作用,则两粒子( )
A.在磁场中运动轨迹的半径不同
B.在磁场中运动的时间不同
C.射出磁场时的速度方向不同
D.射出位置到射入位置的距离不同
2.(多选)两个带等量异种电荷的粒子分别以速度va和vb射入匀强磁场,两粒子的入射方向与磁场边界的夹角分别为60°和30°,磁场宽度为d,两粒子同时由A点出发,同时到达B点,如图所示,则( )
A.a粒子带正电,b粒子带负电
B.两粒子的轨道半径之比Ra∶Rb=∶1
C.两粒子的质量之比ma∶mb=1∶2
D.两粒子的质量之比ma∶mb=2∶1
3.(多选)如图所示,A点的离子源沿纸面垂直OQ方向向上射出一束负离子,离子的重力忽略不计。为把这束负离子约束在OP之下的区域,可加垂直纸面的匀强磁场。已知O、A两点间的距离为s,负离子的比荷为,速率为v,OP与OQ间的夹角为30°,则所加匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向可能是( )
A.B>,垂直纸面向里
B.B>,垂直纸面向里
C.B>,垂直纸面向外
D.B>,垂直纸面向外
4.(多选)(2026)如图所示,在一个边长为a的正六边形区域内,存在磁感应强度为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场,三个相同的带正电粒子,比荷为,先后从A点沿AD方向以大小不等的速率射入匀强磁场区域,已知粒子只受磁场的作用力,则( )
A.从F点飞出磁场的粒子速度大小为
B.所有从AF边上飞出磁场的粒子,在磁场中的运动时间都相同
C.从E点飞出磁场的粒子,在磁场中的运动时间为
D.从ED边上的某一点垂直于ED飞出磁场的粒子,其轨道半径为2a
5.(多选)(2026)如图所示,在圆形边界的磁场区域,氕核H和氘核H先后从P点沿圆形边界的直径入射,从射入磁场到射出磁场,氕核H和氘核H的速度方向分别偏转了60°和120°角,已知氕核H在磁场中运动的时间为t0,轨迹半径为R。不计粒子重力及粒子间的相互作用,则下列说法正确的是( )
A.氘核H在该磁场中运动的时间为2t0
B.氘核H在该磁场中运动的时间为4t0
C.氘核H在该磁场中运动的轨迹半径为R
D.氘核H在该磁场中运动的轨迹半径为R
6.(多选)(2026)如图所示,等腰直角三角形abc区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,d为ac边的中点,e为bc边上的一点。现有一带正电的粒子(不计重力)从a点以大小不同的速率沿ab方向射入磁场,分别从d、c、e点射出磁场,其轨迹圆心分别为O1、O2、O3(图中未标出),所用时间分别为t1、t2、t3,且t1∶t3=3∶2,ab边长度为L,则( )
A.t2∶t3=3∶2
B.带电粒子的比荷为
C.带电粒子从c点与从e点射出的速率之比为∶2
D.O1、O3两点距离为L
7.(多选)(2026)如图所示,环状匀强磁场围成的中空区域中的带电粒子只要速度不是很大,都不会穿出磁场的外边缘而被约束在该区域内。设环状磁场的内半径R1=1 m,外半径R2=2 m,若被束缚的带电粒子的比荷=1×107 C/kg,中空区域内带电粒子具有各个方向的速度,速度大小均为3×107 m/s,sin 37°=0.6。下列说法正确的是( )
A.为使沿半径方向射入磁场的粒子均被束缚,磁感应强度最小值为2 T
B.为使沿半径方向射入磁场的粒子均被束缚,磁感应强度最小值为4 T
C.为使所有粒子被束缚,磁感应强度最小值为6 T
D.若沿半径方向射入磁场的粒子恰被束缚,则粒子在磁场中运动一次速度方向改变37°
(8—9题,每题4分)
8.(多选)在如图所示的平面内,分界线SP将宽度为L的矩形区域分成两部分,一部分充满方向垂直于纸面向外的匀强磁场,另一部分充满方向垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小均为B,SP与磁场左右边界垂直。离子源从S处射入速度大小不同的正离子,离子入射方向与磁场方向垂直且与SP成30°角。已知离子比荷为k,不计重力。若离子从P点射出,设出射方向与入射方向的夹角为θ,则离子的入射速度和对应θ角的可能组合为( )
A.kBL,0° B.kBL,0°
C.kBL,60° D.2kBL,60°
9.(多选)(2026)如图所示,真空区域有同心正方形ABCD和abcd,其各对应边平行,ABCD的边长一定,abcd的边长可调,两正方形之间充满恒定匀强磁场,方向垂直于正方形所在平面。A处有一个粒子源,可逐个发射速度不等、比荷相等的粒子,粒子沿AD方向进入磁场。调整abcd的边长,可使速度大小合适的粒子经ad边穿过无磁场区后由BC边射出。对满足前述条件的粒子,下列说法正确的是( )
A.若粒子穿过ad边时速度方向与ad边的夹角为45°,则粒子必垂直于BC射出
B.若粒子穿过ad边时速度方向与ad边的夹角为60°,则粒子必垂直于BC射出
C.若粒子经cd边垂直于BC射出,则粒子穿过ad边时速度方向与ad边夹角必为45°
D.若粒子经bc边垂直于BC射出,则粒子穿过ad边时速度方向与ad边夹角必为60°
10.(11分)(2026)宇宙中高能带电粒子危害极大。如图所示为某同学设计的磁场分布可将高能粒子束缚其中。PQ、MN为两平行的直线,间距为d,两直线之间为真空区域;MN下方和PQ上方的无限大空间有垂直于纸面向里的匀强磁场Ⅰ和Ⅱ,且Ⅰ的磁感应强度为B。现有一质量为m、电荷量为-q的高能粒子,以速度v0(v0未知)从MN上A点射入真空区域,方向与MN成θ=45°角,已知粒子经磁场Ⅱ和Ⅰ各偏转一次后恰好返回A点,且粒子在磁场Ⅱ中做圆周运动的半径是在Ⅰ中的3倍,不计粒子所受的重力,求:
(1)磁场Ⅱ的磁感应强度大小B2和v0的大小;
(2)粒子从A点出发到第一次返回A点所用的时间t。
11.(13分)(2026)如图所示,平面直角坐标系xOy中,在x≤0.96 m区域内有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度B1为0.2 T,x轴上的P点距离坐标原点1.60 m,在虚线xA=0.96 m和xP=1.60 m间无磁场,x>1.60 m、y>0区域有垂直纸面向外的匀强磁场B2(图中未画出),x>1.60 m、y<0区域有垂直纸面向里的匀强磁场B3(图中未画出),磁感应强度B3为0.2 T。比荷为50 C/kg的带正电的粒子沿y轴正方向由O点射入磁场,不计粒子的重力。
(1)要使粒子不进入虚线xA=0.96 m的右侧,求射入磁场粒子的最大速度。
(2)要使粒子进入无场区域后直接到达P点,求射入磁场粒子的速度。
(3)现将一块长度为0.3 m的荧光板放置在x轴上,板的中点Q位于x轴上的3.43 m处,欲使进入无场区域后直接到达P点的粒子恰能打在荧光板的上表面,求匀强磁场磁感应强度B2的大小范围(计算结果保留两位有效数字)。
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