2019-2020學(xué)年高中物理 第16章 1 實(shí)驗(yàn):探究碰撞中的不變量學(xué)案 新人教版選修3-5
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1、1 實(shí)驗(yàn):探究碰撞中的不變量 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.明確探究碰撞中的不變量的基本思路. 2.探究一維碰撞中的不變量. 二、實(shí)驗(yàn)原理 1.碰撞中的特殊情況——一維碰撞 兩個(gè)物體碰撞前沿同一直線運(yùn)動(dòng),碰撞后仍沿這條直線運(yùn)動(dòng). 2.追尋不變量 在一維碰撞的情況下,與物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理量只有物體的質(zhì)量和物體的速度,設(shè)兩個(gè)物體的質(zhì)量分別為m1、m2,碰撞前的速度分別為v1、v2,碰撞后的速度分別為v1′、v2′.如果速度與規(guī)定的正方向一致,則速度取正值,否則取負(fù)值. 依據(jù)猜想與假設(shè),通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究尋找碰撞前后的不變量,可能是下列的哪些關(guān)系? (1)可能是質(zhì)量與速度的乘積,即m1v1+m
2、2v2=m1v1′+m2v2′. (2)可能是質(zhì)量與速度的二次方的乘積,即m1v+m2v=m1v1′2+m2v2′2. (3)也許是物體的速度與質(zhì)量的比值,即+=+. … 探究以上各關(guān)系式是否成立,關(guān)鍵是準(zhǔn)確測(cè)量碰撞前后的速度v1、v2、v1′、v2′.因此,利用氣墊導(dǎo)軌和與之配套的光電計(jì)時(shí)裝置,可保證兩物體碰撞是一維碰撞,并可比較準(zhǔn)確地測(cè)量出碰撞前后的速度. 3.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 方案一:用氣墊導(dǎo)軌完成兩個(gè)滑塊的一維碰撞 實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示: (1)質(zhì)量的測(cè)量:用天平測(cè)量質(zhì)量. (2)速度的測(cè)量:利用公式v=,式中Δx為滑塊(擋光片)的寬度,Δt為計(jì)時(shí)器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)
3、過(guò)光電門(mén)時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間. (3)利用在滑塊上增加重物的方法改變碰撞物體的質(zhì)量. (4)實(shí)驗(yàn)方法. ①用細(xì)線將彈簧壓縮,放置于兩個(gè)滑塊之間,并使它們靜止,然后燒斷細(xì)線,彈簧彈開(kāi),兩個(gè)滑塊隨即向相反方向運(yùn)動(dòng)(圖甲). ②在兩滑塊相碰的端面上裝上彈性碰撞架(圖乙),可以得到能量損失很小的碰撞. ③在兩個(gè)滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥,碰撞時(shí)撞針插入橡皮泥中,把兩個(gè)滑塊連成一體運(yùn)動(dòng)(圖丙),這樣可以得到能量損失很大的碰撞. 方案二:利用等長(zhǎng)懸線懸掛等大小的小球?qū)崿F(xiàn)一維碰撞 實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示: (1)質(zhì)量的測(cè)量:用天平測(cè)量質(zhì)量. (2)速度的測(cè)量:可以測(cè)量小球被拉起的角度,根據(jù)
4、機(jī)械能守恒定律算出小球碰撞前對(duì)應(yīng)的速度;測(cè)量碰撞后兩小球分別擺起的對(duì)應(yīng)角度,根據(jù)機(jī)械能守恒定律算出碰撞后對(duì)應(yīng)的兩小球的速度. (3)不同碰撞情況的實(shí)現(xiàn):用貼膠布的方法增大兩小球碰撞時(shí)的能量損失. 方案三:利用小車在光滑長(zhǎng)木板上碰撞另一輛靜止的小車實(shí)現(xiàn)一維碰撞 實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示: (1)質(zhì)量的測(cè)量:用天平測(cè)量質(zhì)量. (2)速度的測(cè)量:v=,式中Δx是紙帶上兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離,可用刻度尺測(cè)量.Δt為小車經(jīng)過(guò)Δx所用的時(shí)間,可由打點(diǎn)間隔算出.這個(gè)方案適合探究碰撞后兩物體結(jié)合為一體的情況. (3)碰撞的實(shí)現(xiàn):兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥. 三、實(shí)驗(yàn)器材 方案一:氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)
5、時(shí)器、天平、滑塊(兩個(gè))、彈簧、細(xì)線、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等. 方案二:帶細(xì)線的擺球(兩個(gè))、鐵架臺(tái)、天平、量角器、坐標(biāo)紙、膠布等. 方案三:光滑長(zhǎng)木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、小車(兩個(gè))、天平、撞針、橡皮泥等. 四、實(shí)驗(yàn)步驟 不論采用哪種方案,實(shí)驗(yàn)過(guò)程均可按實(shí)驗(yàn)方案合理安排,參考步驟如下: 1.用天平測(cè)量相關(guān)碰撞物體的質(zhì)量m1、m2. 2.安裝實(shí)驗(yàn)裝置. 3.使物體發(fā)生一維碰撞. 4.測(cè)量或讀出碰撞前后相關(guān)的物理量,計(jì)算對(duì)應(yīng)的速度. 5.改變碰撞條件,重復(fù)步驟3、4. 6.進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過(guò)分析比較,找出碰撞中的“不變量”. 7.整理器材,結(jié)束實(shí)驗(yàn). 五、數(shù)據(jù)處
6、理 將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的物理量填入下表,填表時(shí)需注意物體碰撞后運(yùn)動(dòng)的速度與原來(lái)的方向相反的情況. 碰撞前 碰撞后 質(zhì)量m/kg m1 m2 m1 m2 速度v/(m·s-1) v1 v2 v1′ v2′ mv/(kg·m·s-1) m1v1+m2v2 m1v1′+m2v2′ mv2/(kg·m2·s-2) m1v+m2v m1v1′2+m2v2′2 /(m·s-1·kg-1) + + 實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論 六、誤差分析 1.系統(tǒng)誤差:主要來(lái)源于裝置本身是否符合要求,即: (1)碰撞是否為一維
7、碰撞. (2)實(shí)驗(yàn)中是否合理控制實(shí)驗(yàn)條件,如氣墊導(dǎo)軌是否水平,兩球是否等大,長(zhǎng)木板實(shí)驗(yàn)時(shí)是否平衡摩擦力. 2.偶然誤差:主要來(lái)源于對(duì)質(zhì)量m和速度v的測(cè)量. 七、注意事項(xiàng) 1.前提條件:碰撞的兩物體應(yīng)保證“水平”和“正碰”. 2.方案提醒: (1)若利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn),調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時(shí),注意利用水平儀確保導(dǎo)軌水平. (2)若利用擺球進(jìn)行實(shí)驗(yàn),兩小球靜止時(shí)球心應(yīng)在同一水平線上,且剛好接觸,擺線豎直,將小球拉起后,兩條擺線應(yīng)在同一豎直平面內(nèi). (3)若利用長(zhǎng)木板進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可在長(zhǎng)木板的一端下墊一小木片用以平衡摩擦力. 3.探究結(jié)論:尋找的不變量必須在各種碰撞情況下都不改變. 【
8、例1】 某同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌做“探究碰撞中的不變量”的實(shí)驗(yàn),氣墊導(dǎo)軌裝置如圖所示,所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、彈射架、光電門(mén)等組成. (1)下面是實(shí)驗(yàn)的主要步驟: ①安裝好氣墊導(dǎo)軌,調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕,使導(dǎo)軌水平; ②向氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣; ③接通光電計(jì)時(shí)器; ④把滑塊2靜止放在氣墊導(dǎo)軌的中間; ⑤滑塊1擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩; ⑥釋放滑塊1,滑塊1通過(guò)光電門(mén)1后與左側(cè)有固定彈簧的滑塊2碰撞,碰后滑塊1和滑塊2依次通過(guò)光電門(mén)2,兩滑塊通過(guò)光電門(mén)后依次被制動(dòng); ⑦讀出滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的擋光時(shí)間分別為:滑塊1通過(guò)光電門(mén)1的擋光時(shí)間Δt1=10.01 ms,通
9、過(guò)光電門(mén)2的擋光時(shí)間Δt2=49.99 ms,滑塊2通過(guò)光電門(mén)2的擋光時(shí)間Δt3=8.35 ms; ⑧測(cè)出擋光片的寬度d=5 mm,測(cè)得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量為m1=300 g,滑塊2(包括彈簧)質(zhì)量為m2=200 g. (2)數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)論: ①實(shí)驗(yàn)中氣墊導(dǎo)軌的作用是:A.______________________,B.___________________________. ②碰撞前滑塊1的速度v1為_(kāi)_______m/s;碰撞后滑塊1的速度v2為_(kāi)_______m/s;滑塊2的速度v3為_(kāi)_______m/s;(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) ③在誤差允許的范圍內(nèi),通過(guò)本實(shí)驗(yàn),
10、同學(xué)們可以探究出哪些物理量是不變的?通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析說(shuō)明理由.(至少回答2個(gè)不變量) a._______________________________________________; b.______________________________________________. [解析] (2)①A.大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差. B.保證兩個(gè)滑塊的碰撞是一維的. ②滑塊1碰撞前的速度v1== m/s≈0.50 m/s; 滑塊1碰撞后的速度v2== m/s ≈0.10 m/s; 滑塊2碰撞后的速度v3== m/s ≈0.60 m/s; ③a.系統(tǒng)
11、碰撞前后質(zhì)量與速度的乘積之和不變. 原因:系統(tǒng)碰撞前的質(zhì)量與速度的乘積m1v1=0.15 kg·m/s,系統(tǒng)碰撞后的質(zhì)量與速度的乘積之和m1v2+m2v3=0.15 kg·m/s b.碰撞前后總動(dòng)能不變. 原因:碰撞前的總動(dòng)能Ek1=m1v=0.037 5 J 碰撞后的總動(dòng)能Ek2=m1v+m2v=0.037 5 J 所以碰撞前后總動(dòng)能相等. [答案] (2)①A.大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差. B.保證兩個(gè)滑塊的碰撞是一維的. ②0.50 0.10 0.60 ③a.系統(tǒng)碰撞前、后質(zhì)量與速度的乘積之和不變 b.碰撞前后總動(dòng)能不變 【例2】 某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)
12、用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器“探究碰撞中的不變量”的實(shí)驗(yàn),在小車A的前端粘有橡皮泥,設(shè)法使小車A做勻速直線運(yùn)動(dòng),然后與原來(lái)靜止的小車B相碰并黏在一起繼續(xù)做勻速運(yùn)動(dòng),如圖甲所示.在小車A的后面連著紙帶,電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)頻率為50 Hz. 甲 (1)若已得到打點(diǎn)紙帶如圖乙所示,并測(cè)得各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離.則應(yīng)選圖中__________段來(lái)計(jì)算A碰前的速度,應(yīng)選________段來(lái)計(jì)算A和B碰后的速度. 乙 (2)已測(cè)得小車A的質(zhì)量mA=0.40 kg,小車B的質(zhì)量mB=0.20 kg,則由以上結(jié)果可得碰前mAvA+mBvB=______kg·m/s,碰后mAvA′+mBvB′=______kg·m
13、/s. (3)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來(lái)看,A、B碰撞的過(guò)程中,可能哪個(gè)物理量是不變的? [解析] (1)因?yàn)樾≤嘇與B碰撞前、后都做勻速運(yùn)動(dòng),且碰后A與B黏在一起,其共同速度比A原來(lái)的速度?。?,應(yīng)選點(diǎn)跡分布均勻且點(diǎn)距較大的BC段計(jì)算A碰前的速度,選點(diǎn)跡分布均勻且點(diǎn)距較小的DE段計(jì)算A和B碰后的速度. (2)由題圖可知,碰前A的速度和碰后A、B的共同速度分別為:vA= m/s=1.05 m/s vA′=vB′= m/s=0.695 m/s 故碰撞前:mAvA+mBvB=0.40×1.05 kg·m/s+0.20×0 kg·m/s=0.420 kg·m/s 碰撞后:mAvA′+mBv
14、B′=(mA+mB)vA′=(0.40+0.20)×0.695 kg·m/s=0.417 kg·m/s. (3)數(shù)據(jù)處理表明,mAvA+mBvB≈mAvA′+mBvB′,即在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),A、B碰撞前后總的物理量mv是不變的. [答案] (1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)見(jiàn)解析 1.在利用平拋運(yùn)動(dòng)做“探究碰撞中的不變量”實(shí)驗(yàn)中,安裝斜槽軌道時(shí),應(yīng)讓斜槽末端的切線保持水平,這樣做的目的是( ) A.入射球得到較大的速度 B.入射球與被碰球?qū)π呐鲎埠笏俣染鶠樗椒较? C.入射球與被碰球碰撞時(shí)動(dòng)能無(wú)損失 D.入射球與被碰球碰撞后均能從同一高度飛出
15、 [解析] 實(shí)驗(yàn)中小球能水平飛出是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵,只有這樣才能使兩個(gè)小球在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等. [答案] B 2.(多選)在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器做“探究碰撞中的不變量”實(shí)驗(yàn)時(shí),下列哪些操作是正確的( ) A.相互作用的兩車上,一個(gè)裝上撞針,一個(gè)裝上橡皮泥,是為了改變兩車的質(zhì)量 B.相互作用的兩車上,一個(gè)裝上撞針,一個(gè)裝上橡皮泥,是為了碰撞后粘在一起 C.先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再釋放拖動(dòng)紙帶的小車 D.先釋放拖動(dòng)紙帶的小車,再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源 [解析] 車的質(zhì)量可以用天平測(cè)量,沒(méi)有必要一個(gè)用撞針而另一個(gè)用橡皮泥配重,這樣做的目的是為了碰撞后兩車粘在一起有共同速度,選項(xiàng)B正確;打點(diǎn)計(jì)時(shí)
16、器的使用原則是先接通電源后釋放紙帶,C項(xiàng)正確. [答案] BC 3.如圖甲所示,在水平光滑軌道上停著甲、乙兩輛實(shí)驗(yàn)小車,甲車上系有一穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,當(dāng)甲車獲得水平向右的速度時(shí),隨即啟動(dòng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器.甲車運(yùn)動(dòng)一段距離后,與靜止的乙車發(fā)生正碰并粘在一起運(yùn)動(dòng),紙帶記錄下碰撞前甲車和碰撞后兩車的運(yùn)動(dòng)情況,如圖乙所示,電源頻率為50 Hz,則碰撞前甲車速度大小為_(kāi)_______m/s,碰撞后兩車的共同速度大小為_(kāi)_______m/s. [解析] 碰撞前Δx=1.20 cm,碰撞后Δx′=0.80 cm,T=0.02 s,由v=計(jì)算. [答案] 0.60 0.40 4.某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用
17、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器“探究碰撞中的不變量”的實(shí)驗(yàn):在小車A的前端粘有橡皮泥,在小車A后連著紙帶,推動(dòng)小車A使之做勻速運(yùn)動(dòng),然后與原來(lái)靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體,繼續(xù)做勻速運(yùn)動(dòng),他設(shè)計(jì)的具體裝置如圖甲所示. 甲 乙 (1)長(zhǎng)木板右端下面墊放一小木片的目的是_____________ _____________________________________________________. (2)若已獲得的打點(diǎn)紙帶如圖乙所示,A為運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn),各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距分別記為AB、BC、CD和DE,用天平測(cè)得A、B兩車的質(zhì)量分別為mA、mB,則需驗(yàn)證的表達(dá)式為_(kāi)________________
18、_____________________________. [解析] (1)長(zhǎng)木板右端下面墊放一小木片,目的是平衡摩擦力,使小車拖著紙帶在木板上能做勻速運(yùn)動(dòng). (2)從題圖中可以看出,B到C的時(shí)間等于D到E的時(shí)間,所以可以用BC代表小車碰前的速度,用DE代表碰后的速度,應(yīng)有mA·BC=(mA+mB)·DE. [答案] (1)平衡摩擦力 (2)mA·BC=(mA+mB)·DE 5.某同學(xué)用如圖所示裝置通過(guò)半徑相同的A、B兩球的碰撞來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.實(shí)驗(yàn)時(shí)先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開(kāi)始滾下,落到位于水平地面的記錄紙上,留下痕跡.重復(fù)上述操作10次,得到10個(gè)落點(diǎn)痕跡.再把B
19、球放在水平槽上靠近槽末端的地方,讓A球仍從位置G由靜止開(kāi)始滾下,和B球碰撞后,A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點(diǎn)痕跡.重復(fù)這種操作10次,得到了如圖所示的三個(gè)落地點(diǎn). (1)請(qǐng)你敘述用什么方法找出落地點(diǎn)的平均位置? _____________________________________________________ _____________________________________________________. 并在圖中讀出OP=________. (2)已知mA∶mB=2∶1,碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒,則由圖可以判斷出R是________球的落地點(diǎn),P是___
20、_____球的落地點(diǎn). (3)用題中的字母寫(xiě)出動(dòng)量守恒定律的表達(dá)式 ___________________________________________________ _____________________________________________________. [解析] (1)用最小的圓把所有落點(diǎn)圈在里面,則此圓的圓心即為落點(diǎn)的平均位置.OP=13.0 cm. (2)R應(yīng)是被碰小球B的落地點(diǎn),P為入射小球A碰撞后的落地點(diǎn). (3)小球落地時(shí)間t相同,由mA·=mA+mB可知,動(dòng)量守恒的驗(yàn)證表達(dá)式為:mA·=mA·+mB·. [答案] (1)用最小的圓把所有落點(diǎn)
21、圈在里面,圓心即為落點(diǎn)的平均位置 13.0 cm (2)B A (3)mA·=mA·+mB· 6.某同學(xué)利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和氣墊導(dǎo)軌做探究碰撞中的不變量的實(shí)驗(yàn).氣墊導(dǎo)軌裝置如圖所示,所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、彈射架等組成.在空腔導(dǎo)軌的兩個(gè)工作面上均勻分布著一定數(shù)量的小孔,導(dǎo)軌空腔內(nèi)不斷通入的壓縮空氣會(huì)從小孔中噴出,使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導(dǎo)軌上,這樣就大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差. (1)下面是實(shí)驗(yàn)的主要步驟: ①安裝好氣墊導(dǎo)軌,調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕,使導(dǎo)軌水平; ②向氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣; ③把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在緊靠氣墊導(dǎo)軌左端彈射架的外側(cè),將紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器
22、,調(diào)節(jié)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的高度,直至滑塊拖著紙帶移動(dòng)時(shí),紙帶始終在水平方向; ④使滑塊1擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩; ⑤把滑塊2放在氣墊導(dǎo)軌的中間; ⑥先________,然后________,讓滑塊帶動(dòng)紙帶一起運(yùn)動(dòng); ⑦取下紙帶,重復(fù)步驟④⑤⑥,選出理想的紙帶如圖所示; ⑧測(cè)得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量為310 g,滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205 g. 試完善實(shí)驗(yàn)步驟⑥的內(nèi)容. (2)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02 s打一個(gè)點(diǎn),計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字. 計(jì)算碰撞前m1v1+m2v2=________kg·m/s; 碰撞后m1v1′+m2v2′=________kg·m/s.
23、 計(jì)算碰撞前m1v+m2v=________kg·m2/s2; 碰撞后m1v′+m2v′=________kg·m2/s2. 計(jì)算碰撞前+=________m/(s·kg); 碰撞后+=________m/(s·kg). (3)通過(guò)以上計(jì)算可知,碰撞中的不變量應(yīng)是_____________ _____________________________________________________. (4)試說(shuō)明(2)中兩結(jié)果不完全相等的主要原因是____________ _____________________________________________________.
24、 [解析] (1)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再放開(kāi)滑塊1. (2)碰撞前滑塊1的速度 v1= m/s=2 m/s m1v1=0.31×2 kg·m/s=0.620 kg·m/s 碰撞前滑塊2的速度v2=0 碰撞后兩滑塊具有相同的速度 v= m/s=1.2 m/s m1v1′+m2v2′ =(m1+m2)v=(0.310+0.205)×1.2 kg·m/s =0.618 kg·m/s m1v+m2v=1.24 kg·m2/s2 m1v′+m2v′=0.742 kg·m2/s2 +=6.45 m/(s·kg) +=9.72 m/(s·kg). (3)通過(guò)以上計(jì)算可知,碰撞中的不變量應(yīng)是滑塊1、2碰撞前后的質(zhì)量與速度乘積的矢量和. (4)計(jì)算結(jié)果不完全相等的主要原因是紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔有摩擦. [答案] (1)接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源 放開(kāi)滑塊1 (2)0.620 0.618 1.24 0.742 6.45 9.72 (3)滑塊1、2碰撞前后的質(zhì)量與速度乘積的矢量和 (4)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔有摩擦 - 10 -
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