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1、第五節(jié)自然界中的守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.加深對(duì)動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律的理解,能運(yùn)用這兩個(gè)守恒定律解決一些簡(jiǎn)單的與生產(chǎn)、生活相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題.2.通過(guò)物理學(xué)中的守恒定律, 體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一.知識(shí)探究新知探究點(diǎn)點(diǎn)帝冥導(dǎo)學(xué)探究如圖 1 所示,質(zhì)量為 2 kg 的物體靜止在與其之間動(dòng)摩擦因數(shù)卩=0.5 的粗糙水平面上,現(xiàn)加一F= 20 N 的水平恒力使之開(kāi)始向右加速運(yùn)動(dòng),求物體速度達(dá)到20 m/s 時(shí),需要的時(shí)間t和經(jīng)過(guò)的位移s.(請(qǐng)分別利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)量定理和動(dòng)能定理計(jì)算,重力加 速度g= 10m/s )圖 1答案 對(duì)物體受力分析如圖所示:方法一:根據(jù)牛頓第二定律Fmg= mav=at1.
2、2s=尹解得t= 4 s ,s= 40 m.方法二:根據(jù)動(dòng)量定理可得:(Fimg t=mv-0解得:t= 4 s.212根據(jù)動(dòng)能定理可得:Fs卩mgs= 2mv 0解得s= 40 m.知識(shí)梳理1.力的觀點(diǎn):5 鬧一 UFn孕Jt 1陀解決力學(xué)問(wèn)題的三個(gè)基本觀點(diǎn)速運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題.2.動(dòng)量的觀點(diǎn): 主要應(yīng)用動(dòng)量定理或動(dòng)量守恒定律求解,常涉及物體的受力和時(shí)間問(wèn)題,以及相互作用物體的問(wèn)題.3.能量的觀點(diǎn):在涉及單個(gè)物體的受力和位移問(wèn)題時(shí),常用動(dòng)能定理分析; 在涉及系統(tǒng)內(nèi)能 量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題時(shí),常用能量守恒定律.題型探究3m在木板的上表面有兩卩.最初木板靜止,木塊同時(shí)以相向的水平初速度V0和 2vo滑上長(zhǎng)木板,
3、木板足夠長(zhǎng),A B始終未滑離木板也未發(fā)生碰撞.求:(1)木塊B的最小速度是多少?(2)木塊A從剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到AVo21Vo* 2 3答案VT碩,向左B、C速度剛好相等的過(guò)程中,木塊A所發(fā)生的位移是多少?解析(1)由題知,B向右減速,A向左減速,此時(shí)C靜止不動(dòng);A先減速到零后與C一起反向向右加速,B向右繼續(xù)減速,三者共速時(shí),B的速度最小.取向右為正方向,根據(jù)動(dòng)量守恒定律:3m-2Vomv=5mv解得B的最小速度v=V(2)A向左減速的過(guò)程,根據(jù)動(dòng)能定理有12mgs= 0 qmv2VoSi=-21gA、C一起向右加速的過(guò)程,根據(jù)動(dòng)能定理有1V0 21mgs=jX4n(-)2vo2S2=251g、子彈
4、打木塊模型1子彈打木塊的過(guò)程很短暫,認(rèn)為該過(guò)程內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力,則系統(tǒng)動(dòng)量守恒.2在子彈打木塊過(guò)程中摩擦生熱,系統(tǒng)機(jī)械能不守恒,機(jī)械能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化.3若子彈不穿出木塊,二者最后有共同速度,機(jī)械能損失最多.【例 2 如圖 3 所示,在水平地面上放置一質(zhì)量為M的木塊,一質(zhì)量為m的子彈以水平速度v射入木塊(未穿出),若木塊與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為1,求:.王.Q圖 3(1) 子彈射入后,木塊在地面上前進(jìn)的距離;(2) 射入的過(guò)程中,系統(tǒng)損失的機(jī)械能;(3) 子彈在木塊中打入的深度.“宀niv2MmvMv答案(1)2 M+m2ig(2)2 俯m21g舟m解析 因子彈未射出,故碰撞后子彈與木塊的速度相同,而系
5、統(tǒng)損失的機(jī)械能為初、末狀態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)能之差.(1)設(shè)子彈射入木塊后,二者的共同速度為v, 取子彈的初向左的位移為向右的位移為取向左為正方向,整個(gè)過(guò)程A發(fā)生的位移為S=SiS2=221Vo501g即此過(guò)程中A發(fā)生的位移向左,大小為21voVoig 4速度方向?yàn)檎较?,則由動(dòng)量守恒得:mv=(W m v者一起沿地面滑動(dòng),前進(jìn)的距離為S,由動(dòng)能定理得:51u(Wm)gs=02(M+ m)v(2)射入過(guò)程中損失的機(jī)械能E= jm2(M+m)v1 21當(dāng)彈簧的彈性勢(shì)能最大時(shí),物塊A的速度為多大?2系統(tǒng)中彈性勢(shì)能的最大值是多少?答案 (1)3 m/s (2)12 J解析(1)當(dāng)A B、C三者的速度相等時(shí)彈簧
6、的彈性勢(shì)能最大由A B、C三者組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒得:(mA+m)v= (mA+m+m)VABC,由兩式解得:2 2mv2S = -2-2(W mj卩g解得:E=Mmv2 M+m.物塊A B、C速度相同時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能最大為巳,6VBC=2X62+4m/s = 2 m/s(3)設(shè)子彈在木塊中打入的深度,即子彈相對(duì)于木塊的位移為E_MV(1 mg2 卩g(M mj三、彈簧類模型1對(duì)于彈簧類問(wèn)題,在作用過(guò)程中,若系統(tǒng)合外力為零,則滿足動(dòng)量守恒.2.整個(gè)過(guò)程往往涉及到多種形式的能的轉(zhuǎn)化,女口:彈性勢(shì)能、動(dòng)能、內(nèi)能、重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化,應(yīng)用能量守恒定律解決此類問(wèn)題.3注意:彈簧壓縮最短時(shí),或彈簧拉伸最長(zhǎng)時(shí),
7、彈簧連接的兩物體速度相等,此時(shí)彈簧彈性 勢(shì)能最大.【例 3】?jī)晌飰KA、B用輕彈簧相連,質(zhì)量均為 2 kg,初始時(shí)彈簧處于原長(zhǎng),A B兩物塊都以v= 6 m/s 的速度在光滑的水平地面上運(yùn)動(dòng),質(zhì)量為 4 kg 的物塊C靜止在前方,如圖 4 所示.B與C碰撞后二者會(huì)粘在一起運(yùn)動(dòng)則在以后的運(yùn)動(dòng)中:(2)B C碰撞時(shí)B、C組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒,設(shè)碰后瞬間B、C兩者速度為VBC,則mBv= (m+m)VBC得:解得VABC=2+2X62+2+4m/s = 3 m/s.s相對(duì),貝UE=i mgs相對(duì)得:S相對(duì)=圖 4物塊A B、C速度相同時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能最大為巳,7121212121 根據(jù)能量守恒定律,則E
8、= 2(mB+m)VBc+-mAv-(mA+me)VABC=- x(2 + 4)X2J +X2X63 4J1x(2+2+4)X32J=12 J.針對(duì)訓(xùn)練 如圖 5 所示,A、B兩個(gè)木塊用輕彈簧相連接,它們靜止在光滑水平面上,A和B的質(zhì)量分別是 99m和 100m顆質(zhì)量為m的子彈以速度vo水平射入木塊A內(nèi)沒(méi)有穿出,則在 以后的過(guò)程中彈簧彈性勢(shì)能的最大值為()圖 52mv200答案 A解析 子彈射入木塊A的過(guò)程中,動(dòng)量守恒,有mv)= 100mv,子彈、A B三者速度相等時(shí), 彈簧的彈性勢(shì)能1212mv2最大,100mv= 200mv,彈性勢(shì)能的最大值E)= x100mv x200mu= 00.總
9、結(jié)提升-處理動(dòng)量和能量結(jié)合問(wèn)題時(shí)應(yīng)注意:(1) 守恒條件:動(dòng)量守恒條件是系統(tǒng)所受合外力為零,而機(jī)械能守恒條件是合外力做的功為零.(2) 分析重點(diǎn):判斷動(dòng)量是否守恒研究系統(tǒng)的受力情況,而判斷機(jī)械能是否守恒及能量的轉(zhuǎn)化情況研究系統(tǒng)的做功情況.(3) 表達(dá)式:動(dòng)量為矢量式,能量為標(biāo)量式.(4) 注意:某一過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)量守恒,但機(jī)械能不一定守恒, 反之,機(jī)械能守恒的過(guò)程動(dòng)量不一定守恒.達(dá)標(biāo)檢測(cè)當(dāng)堂檢測(cè)鞏固反饋3 .(多選)矩形滑塊由不同材料的上、 下兩層粘合在一起組成, 將其放在光滑的水平面上, 質(zhì)量為m的子彈以速度v水平射向滑塊,若射擊下層,子彈剛好不射出,若射擊上層,則子彈剛好能射進(jìn)一半厚度,如圖
10、 6 所示,上述兩種情況相比較()2mv400C.99mv2200199mv240028SB屮乙圖 6A. 子彈對(duì)滑塊做功一樣多B. 子彈對(duì)滑塊做的功不一樣多C. 系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量一樣多D. 系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不一樣多答案 AC解析 兩次都沒(méi)射出,則子彈與滑塊最終達(dá)到共同速度,設(shè)為v共,由動(dòng)量守恒定律可得:mmv= (W n)v共,得v共=MmV;子彈對(duì)滑塊所做的功等于滑塊獲得的動(dòng)能,故選項(xiàng)A 正確;系統(tǒng)損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱量,故選項(xiàng)C 正確.2.如圖 7 所示,木塊A B的質(zhì)量均為 2 kg,置于光滑水平面上,B與一輕質(zhì)彈簧的一端相連, 彈簧的另一端固定在豎直擋板上,當(dāng)A以 4 m/s 的速度向B
11、撞擊時(shí),由于有橡皮泥而粘在一 起運(yùn)動(dòng),那么彈簧被壓縮到最短時(shí),彈簧具有的彈性勢(shì)能大小為( )圖 7A. 4 J B . 8 J C . 16 J D . 32 J答案 B解析A、B在碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒,碰后粘在一起共同壓縮彈簧的過(guò)程中機(jī)械能守恒.由碰mvA撞過(guò)程中動(dòng)量守恒得:mvA= (m+m)v,代入數(shù)據(jù)解得v= 2 m/s,所以碰后A、B及mA十mB12彈簧組成的系統(tǒng)的機(jī)械能為ym十m)v2= 8 J,當(dāng)彈簧被壓縮至最短時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)能為 0,只有彈性勢(shì)能,由機(jī)械能守恒得此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能為8 J.3 .如圖 8 所示,質(zhì)量為M長(zhǎng)為L(zhǎng)的長(zhǎng)木板放在光滑水平面上,一個(gè)質(zhì)量也為M的物塊(視為質(zhì)點(diǎn))
12、以一定的初速度從左端沖上長(zhǎng)木板,如果長(zhǎng)木板是固定的, 物塊恰好停在長(zhǎng)木板的右 端,如果長(zhǎng)木板不固定,則物塊沖上長(zhǎng)木板后在木板上最多能滑行的距離為圖 83L LA.LB.匸 C. 4 ,9答案 D10- 12解析 長(zhǎng)木板固定時(shí),由動(dòng)能定理得:卩Mg 2 皿,若長(zhǎng)木板不固定有Mvo= 2Mv卩Mgs-*Mv2 *X2MV,得s=L, D 項(xiàng)正確,AB、C 三項(xiàng)錯(cuò)誤.4如圖 9 所示,固定的光滑圓弧面與質(zhì)量為 6 kg 的小車C的上表面平滑相接,在圓弧面上 有一個(gè)質(zhì)量為 2 kg 的滑塊A,在小車C的左端有一個(gè)質(zhì)量為 2 kg 的滑塊B,滑塊A與B均可 看做質(zhì)點(diǎn)現(xiàn)使滑塊A從距小車的上表面高h(yuǎn)= 1.
13、25 m 處由靜止下滑,與B碰撞后瞬間粘合 在一起共同運(yùn)動(dòng),最終沒(méi)有從小車C上滑出已知滑塊A、B與小車C的動(dòng)摩擦因數(shù)均為卩=0.5,小車C與水平地面的摩擦忽略不計(jì),取g= 10 m/s2.求:(1) 滑塊A與B碰撞后瞬間的共同速度的大??;(2) 小車C上表面的最短長(zhǎng)度.答案(1)2.5 m/s (2)0.375 m12解析設(shè)滑塊A滑到圓弧末端時(shí)的速度大小為V1,由機(jī)械能守恒定律得:mgh=21代入數(shù)據(jù)解得V1= “J2gh= 5 m/s設(shè)A、B碰后瞬間的共同速度為V2,滑塊A與B碰撞瞬間與車C無(wú)關(guān),滑塊A與B組成的系 統(tǒng)動(dòng)量守恒,mv1= (m+m)V2代入數(shù)據(jù)解得V2= 2.5 m/s(2)
14、設(shè)小車C上表面的最短長(zhǎng)度為L(zhǎng),滑塊A與B最終沒(méi)有從小車C上滑出,三者最終速度相 同設(shè)為V3,根據(jù)動(dòng)量守恒定律有:(m+m)V2= (m+m+m)V3根據(jù)能量守恒定律有:1212 -口(m+m)gL=刁m+m)V2m+m+nC)V3聯(lián)立式代入數(shù)據(jù)解得L= 0.375 m .課時(shí)作業(yè)、選擇題(12 題為單選題,34 題為多選題)強(qiáng)化訓(xùn)練拓展提升111如圖 1 所示,位于光滑水平桌面上的小滑塊P和Q質(zhì)量相等,都可視作質(zhì)點(diǎn).Q與輕質(zhì)彈簧相連設(shè)Q靜止,P以某一初速度向Q運(yùn)動(dòng)并與彈簧發(fā)生碰撞在整個(gè)碰撞過(guò)程中,彈簧具有的最大彈性勢(shì)能等于()P-WtP-Q 圖 1A.P的初動(dòng)能1B. P 的初動(dòng)能的 2C.
15、P 的初動(dòng)能的 11D. P 的初動(dòng)能的-4答案 B解析 把小滑塊P和Q以及彈簧看成一個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)的動(dòng)量守恒在整個(gè)碰撞過(guò)程中,當(dāng)小滑塊P和Q的速度相等時(shí),彈簧的彈性勢(shì)能最大設(shè)小滑塊P的初速度為V。,兩滑塊的質(zhì)量均為m貝U mv= 2mv v= 21212121所以彈簧具有的最大彈性勢(shì)能 6= qmv 2mv=:mv=氐,故 B 正確2 .如圖 2 所示,在光滑水平面上,有一質(zhì)量M=3 kg 的薄板和質(zhì)量m=1 kg 的物塊都以v=4 m/s 的初速度相向運(yùn)動(dòng),它們之間有摩擦,薄板足夠長(zhǎng),當(dāng)薄板的速度為2.7 m/s 時(shí),物塊的運(yùn)動(dòng)情況是()A.做減速運(yùn)動(dòng)C.做勻速運(yùn)動(dòng)答案 A解析 開(kāi)始階段,物
16、塊向左減速,薄板向右減速,當(dāng)物塊的速度為零時(shí),設(shè)此時(shí)薄板的速度為V1,規(guī)定向右為正方向,根據(jù)動(dòng)量守恒定律得:(M- n)v=Mv代入數(shù)據(jù)解得:V12.67 m/sv2.7 m/s,所以物塊處于向左減速的過(guò)程中.3如圖 3 所示,輕質(zhì)彈簧的一端固定在墻上,另一端與質(zhì)量為m的物體A相連,A放在光滑水平面上,有一質(zhì)量與A相同的物體B,從離水平面高h(yuǎn)處由靜止開(kāi)始沿光滑曲面滑下,與AB與A分開(kāi)且沿原曲面上升下列說(shuō)法正確 m. - Z/ /X . /圖 2B.做加速運(yùn)動(dòng)D.以上運(yùn)動(dòng)都有可能相碰后一起將彈簧壓12A.彈簧被壓縮時(shí)所具有的最大彈性勢(shì)能為B.彈簧被壓縮時(shí)所具有的最大彈性勢(shì)能為C. B與A分開(kāi)后能
17、達(dá)到的最大高度為 4D. B與A分開(kāi)后能達(dá)到的最大高度不能計(jì)算答案 BC解析 根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得B剛到達(dá)水平面的速度vo= 2gh,根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得A、 1 121與B碰撞后的速度為v= qvo,所以彈簧被壓縮時(shí)所具有的最大彈性勢(shì)能為&尸 2mv=mgh即卩 A 錯(cuò)誤,B 正確;當(dāng)彈簧再次恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí),A與B分開(kāi),B以大小為v的速度向左沿12、 1曲面上滑,根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得mgh= qmv,B能達(dá)到的最大高度為h= qh,即 C 正確,D 錯(cuò)誤.4如圖 4 所示,用輕繩將兩個(gè)彈性小球緊緊束縛在一起并發(fā)生微小的形變,現(xiàn)正在光滑水平面上以速度vo= 0.1 m/s 向右做直線運(yùn)
18、動(dòng),已知兩彈性小球質(zhì)量分別為m= 1 kg 和m= 2 kg.一段時(shí)間后輕繩突然自動(dòng)斷開(kāi),斷開(kāi)后兩球仍沿原直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)t= 5.0 s 兩球的間距為s=4.5 m,則下列說(shuō)法正確的是()A.剛分離時(shí),a、b兩球的速度方向相同B.剛分離時(shí),b球的速度大小為 0.4 m/sC.剛分離時(shí),a球的速度大小為 0.7 m/sD.兩球分開(kāi)過(guò)程中釋放的彈性勢(shì)能為0.27 J答案 CD解析 在輕繩突然自動(dòng)斷開(kāi)過(guò)程中,兩球組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒.設(shè)水平向右為正方向,斷開(kāi)后兩球仍沿原直線運(yùn)動(dòng),速度分別為w和v2,設(shè)剛分離時(shí),a、b兩球的速度方向相同,由動(dòng)量守恒定律,(m+m)v=mv1+mv2,根據(jù)題述,經(jīng)過(guò)t= 5
19、.0 s 兩球的間距為s= 4.5 m,有V1tV2t=s,聯(lián)立解得:w = 0.7 m/s ,V2= 0.2 m/s,負(fù)號(hào)說(shuō)明b球的速度方向向左,選121項(xiàng)AB 錯(cuò)誤,C 正確由機(jī)械能守恒定律,兩球分開(kāi)過(guò)程中釋放的彈性勢(shì)能為6= ?mv1+212mv2 ym +m)vo= 0.27 J,選項(xiàng) D 正確.mghmgh2圖 613二、非選擇題5如圖 5 所示,在光滑水平地面上的木塊M緊挨輕彈簧靠墻放置子彈方向射入木塊并在極短時(shí)間內(nèi)相對(duì)于木塊靜止下來(lái),然后木塊壓縮勁度系數(shù)未知彈簧至彈簧 最短.已知子彈質(zhì)量為m木塊質(zhì)量M=9m彈簧最短時(shí)彈簧被壓縮了變量為x的彈簧的彈性勢(shì)能可表示為& = 2k
20、x2.求:(1)從子彈射入木塊到剛相對(duì)于木塊靜止的過(guò)程中損失的機(jī)械能;(2)彈簧的勁度系數(shù).x.勁度系數(shù)為k、形(2) 設(shè)水平向右為正方向,A、C碰撞后的速度大小分別為VA、VC,由能量守恒和動(dòng)量守恒,14答案解析292mv(1)mv2(2)22010 x(1)設(shè)子彈剛相對(duì)于木塊靜止時(shí)的速度為V,由動(dòng)量守恒定律mv= (M)v,解得v=V0設(shè)從子彈射入木塊到剛好相對(duì)于木塊靜止的過(guò)程中損失的機(jī)械能為 E,由能量守恒定律1212E= mvo 2( mM)v9mv2代入數(shù)據(jù)得已二百.(2)設(shè)彈簧的勁x,其彈性勢(shì)能可表示為曰=2k( x)2,木塊壓縮輕彈簧過(guò)程,由機(jī)械能守恒定律*葉M)v2=曰,2mv
21、o解得彈簧的勁度系數(shù)k=102.6 .如圖 6 所示,在光滑水平面上有一輛質(zhì)量M= 8 kg 的平板小車,車上有一個(gè)質(zhì)量m 1.9 kg的木塊(木塊可視為質(zhì)點(diǎn)),車與木塊均處于靜止?fàn)顟B(tài).一顆質(zhì)量m= 0.1 kg 的子彈以vo= 200m/s 的初速度水平向左飛,瞬間擊中木塊并留在其中已知木塊與小車平板之間的動(dòng)摩擦因2數(shù)卩=0.5 ,g= 10 m/s .求:. .15(1) 子彈射入木塊后瞬間子彈和木塊的共同速度大??;(2) 若木塊不會(huì)從小車上落下,求三者的共同速度大??;(3) 若是木塊剛好不會(huì)從車上掉下,則小車的平板至少多長(zhǎng)?答案 (1)10 m/s (2)2 m/s (3)8 m解析 子
22、彈射入木塊過(guò)程系統(tǒng)動(dòng)量守恒,以水平向左為正,則由動(dòng)量守恒有:mvo= (m+m vi,” +mvo0.1x200解得:v1= = m/s = 10 m/sm+m0.1 + 1.9(2)子彈、木塊、小車組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒,以水平向左為正方向,由動(dòng)量守恒定律得:(m+m v1= (m+M)v,(m+my1=(0.1+1.9X1m+M=0.1+1.9+8 (3)子彈擊中木塊到木塊相對(duì)小車靜止過(guò)程,由能量守恒定律得: 12122(m+n)v1=卩(m+n)gL+空(m+nuM)v, 解得L= 8 m.7 .如圖 7 所示,物體A置于靜止在光滑水平面上的平板小車B的左端,在A的上方0點(diǎn)用細(xì)線懸掛一小球Q
23、可視為質(zhì)點(diǎn)),線長(zhǎng)L= 0.8 m現(xiàn)將小球C拉至水平無(wú)初速度釋放,并在最 低點(diǎn)與A物體發(fā)生水平正碰,碰撞后小球C反彈的最大高度為h= 0.2 m.已知A、B、C的質(zhì)量分別為m= 4 kg、m= 8 kg 和 1 kg ,A B間的動(dòng)摩擦因數(shù) 卩=0.2 ,A C碰撞時(shí)間極 短,且只碰一次,取重力加速度g= 10 m/s2.求:圖 7(1) 小球C與物體A碰撞前瞬間受到細(xì)線的拉力大??;(2)A、C碰撞后瞬間A的速度大??;(3) 若物體A未從小車B上掉落,小車B的最小長(zhǎng)度為多少?3答案 (1)30 N (2)1.5 m/s (3)0.375 m(或 m)8解析(1)小球碰撞前在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)12根據(jù)機(jī)械能守恒定律,得mgL= ?mvo2mvo由牛頓第二定律,得Fmg=廠 解得 如=4 m/s ,F= 30 N12得 jmcvc=mgh mwo=RAVA mcvc解得vc= 2 m/s ,VA=1.5 m/s(3)設(shè)A在B上相對(duì)滑動(dòng)
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