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专题一力与运动知识体系第1课时力与物体的平衡高考题型1静态平衡问题高考题型2动态平衡问题高考题型3电学中的平衡问题专题强化练内容索引NEIRONGSUOYIN假设法若不能确定某力是否存在,可先对其作出存在的假设,然后分析若该力存在对物体运动状态的影响,从而来判断该力是否存在整体法和隔离法整体法:将加速度相同的几个相互关联的物体作为一个整体进行受力分析隔离法:将所研究的对象从周围的物体中隔离出来,单独进行受力分析选用原则:研究系统外的物体对系统整体的作用力时用整体法;研究系统内物体之间的相互作用力时用隔离法.通常整体法和隔离法交替使用.1.受力分析的4种方法高考题型1静态平衡问题转换研究对象法根据牛顿第三定律,例如动力学分析法根据牛顿第二定律,由加速度方向判定合力的方向,从而确定某一个力的方向例如:2.处理静态平衡问题的基本思路例1

(2020·全国Ⅲ·17)如图1,悬挂甲物体的细线拴牢在一不可伸长的轻质细绳上O点处;绳的一端固定在墙上,另一端通过光滑定滑轮与物体乙相连.甲、乙两物体质量相等.系统平衡时,O点两侧绳与竖直方向的夹角分别为α和β.若α=70°,则β等于A.45° B.55° C.60° D.70°考题示例图1解析取O点为研究对象,在三力的作用下O点处于平衡状态,对其受力分析如图所示,根据几何关系可得β=55°,故选B.√例2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√解析分析可知工件受力平衡,将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的压力大小为对斜面Ⅱ的压力大小为F2=mgsin30°=

mg,选项D正确,A、B、C错误.例3

(2020·山东卷·8)如图3所示,一轻质光滑定滑轮固定在倾斜木板上,质量分别为m和2m的物块A、B,通过不可伸长的轻绳跨过滑轮连接,A、B间的接触面和轻绳均与木板平行.A与B间、B与木板间的动摩擦因数均为μ,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.当木板与水平面的夹角为45°时,物块A、B刚好要滑动,则μ的值为图3√解析A、B刚好要滑动时受力平衡,受力分析如图所示.对A:FT=mgsin45°+μmgcos45°对B:2mgsin45°=FT+3μmgcos45°+μmgcos45°1.(2020·四川泸州市质量检测)如图4所示,三根不可伸长的轻绳一端共同系于O点,A端和B端分别固定在墙壁和地面上,某同学用水平方向的力拉绳OC,三绳绷紧后,OB绳竖直,OC绳水平,OA绳与竖直墙面夹角θ=30°.三根绳能承受的最大拉力均为300N,为保证三根轻绳都不被拉断,则人对OC绳的水平拉力最大不能超过A.100N B.150NC.150N D.300N命题预测图4123√解析对结点受力分析,如图所示,由边角关系可知OA绳中的拉力最大,由平衡条件得:则三根绳都不会被拉断,知FA≤300N,解得:FC≤150N,故选B.1232.(2020·山东兖州市3月网络模拟)如图5所示,竖直平面内固定的半圆弧轨道两端点M、N连线水平,将一轻质小环套在轨道上,一细线穿过轻环,一端系在M点,另一端系一质量为m的小球,不计所有摩擦,重力加速度为g,小球恰好静止在图示位置,下列说法正确的是A.轨道对轻环的支持力大小为mgB.细线对M点的拉力大小为C.细线对轻环的作用力大小为D.N点和轻环的连线与竖直方向的夹角为30°图5123√解析对圆环受力分析;因圆环两边绳子的拉力相等,可知两边绳子拉力与OA夹角相等,设为θ,由几何关系可知,∠OMA=∠MAO=θ,则3θ=90°,θ=30°,细线对M点的拉力大小为FT=mg,选项B错误;由几何关系可知,N点和轻环的连线与竖直方向的夹角为30°,选项D正确.1233.(2020·河北省高三二模)某位同学用筷子将均匀球夹起悬停在空中,如图6所示,已知球心O与两根筷子在同一竖直面内,小球质量为m,筷子与竖直方向之间的夹角均为θ,筷子与小球表面间的动摩擦因数为μ(最大静摩擦力等于滑动摩擦力),重力加速度为g.每根筷子对小球的压力至少为图6123√解析对小球受力分析如图所示,2Ffcosθ=mg+2FNsinθFf=μFN1231.解决动态平衡问题的一般思路化“动”为“静”,多个状态下“静”态对比,分析各力的变化或极值.2.三力作用下动态平衡高考题型2动态平衡问题3.四力作用下动态平衡(1)在四力平衡中,如果有两个力为恒力,或这两个力的合力方向确定,为了简便可用这两个力的合力代替这两个力,转化为三力平衡,例如:如图7,qE<mg,把挡板缓慢转至水平的过程中,可以用重力与电场力的合力mg-qE代替重力与电场力.图7如图8,物体在拉力F作用下匀速运动,改变θ大小,求拉力的最小值,可以用支持力与摩擦力的合力F′代替支持力与摩擦力.其中F′与竖直方向的夹角θ,满足tanθ=

=μ.图8(2)对于一般的四力平衡及多力平衡,可采用正交分解法.例4

(多选)如图9,一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考题示例图9√√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≥mMgsinθ,则M所受斜面的摩擦力大小会一直增大,若mNg<mMgsinθ,则M所受斜面的摩擦力大小可能先减小后反向增大,选项C错误,D正确.4.(2020·河南信阳市高三上学期期末)如图10所示,足够长的光滑平板AP与BP用铰链连接,平板AP与水平面成53°角固定不动,平板BP可绕水平轴在竖直面内自由转动,质量为m的均匀圆柱体O放在两板间,sin53°=0.8,cos53°=0.6,重力加速度为g,在使BP板由水平位置缓慢转动到竖直位置的过程中,下列说法正确的是A.平板AP受到的压力先减小后增大B.平板AP受到的压力先增大后减小C.平板BP受到的最小压力为0.6mgD.平板BP受到的最大压力为

mg命题预测√456图10解析小球受重力、平板AP的弹力F1和平板BP的弹力F2,根据平衡条件,三力构成一封闭矢量三角形,如图.从图中可以看出,在平板PB逆时针缓慢地转向竖直位置的过程中,F1越来越大,F2先变小后变大,结合牛顿第三定律可知,选项A、B错误.由几何关系可知,当F2的方向与AP的方向平行(即与F1的方向垂直)时,F2有最小值为:F2min=mgsin53°=0.8mg;456当平板BP竖直时,F2最大为:F2max=mg·tan53°=

mg,选项C错误,D正确.5.(2020·陕西汉中市高三期末)如图11所示,两块固定且相互垂直的光滑挡板POQ,OP竖直放置,OQ水平,小球a、b固定在轻杆的两端,现有一个水平向左的推力,作用于b上,使a、b紧靠挡板处于静止状态.现用力F推动小球b,使之缓缓到达b′位置,则A.推力F变大B.小球a对OP的压力变大C.小球b对OQ的压力变大D.杆上的弹力减小图11√456解析隔离a分析受力,设此时ab间作用力与水平方向的夹角为θ,如图甲所示.根据三角形动态图解法知随着θ的增大,F′减小,FN减小,根据牛顿第三定律,小球a对OP的压力减小,故B错误,D正确;对a、b及轻杆整体受力分析如图乙所示,456由共点力的平衡条件可知,a、b重新处于静止状态前后,OQ挡板对b的支持力始终保持不变,推力F=FN,则F一直减小,故A、C错误.6.(多选)如图12所示,表面光滑的半球形物体固定在水平面上,光滑小环D固定在半球形物体球心O的正上方,轻质弹簧一端用轻质细绳固定在A点,另一端用轻质细绳穿过小环D与放在半球形物体上的小球P相连,DA水平.现将细绳固定点A向右缓慢平移的过程中(小球P未到达半球最高点前),下列说法正确的是A.弹簧变短B.弹簧变长C.小球对半球的压力不变D.小球对半球的压力变大图12√456√解析以小球为研究对象,受力分析如图,小球受重力G、细线的拉力FT和半球面的支持力FN,作出FN、FT的合力F,由平衡条件得知F=G,456将细绳固定点A向右缓慢平移,DO、PO不变,PD变小,可知FT变小,FN不变,即弹簧的弹力变小,弹簧变短,由牛顿第三定律知小球对半球的压力不变,故A、C正确,B、D错误.1.静电场、磁场中的平衡问题,受力分析时要注意电场力、磁场力方向的判断,再结合平衡条件分析求解.2.涉及安培力的平衡问题,画受力示意图时要注意将立体图转化为平面图.高考题型3电学中的平衡问题例5

(2019·全国卷Ⅰ·15)如图13,空间存在一方向水平向右的匀强电场,两个带电小球P和Q用相同的绝缘细绳悬挂在水平天花板下,两细绳都恰好与天花板垂直,则A.P和Q都带正电荷B.P和Q都带负电荷C.P带正电荷,Q带负电荷D.P带负电荷,Q带正电荷考题示例图13√解析对P、Q整体进行受力分析可知,在水平方向上整体所受电场力为零,所以P、Q必带等量异种电荷,选项A、B错误;对P进行受力分析可知,Q对P的库仑力水平向右,则匀强电场对P的电场力应水平向左,所以P带负电荷,Q带正电荷,选项C错误,D正确.例6

(2017·全国卷Ⅰ·16)如图14,空间某区域存在匀强电场和匀强磁场,电场方向竖直向上(与纸面平行),磁场方向垂直于纸面向里,三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等,质量分别为ma、mb、mc,已知在该区域内,a在纸面内做匀速圆周运动,b在纸面内向右做匀速直线运动,c在纸面内向左做匀速直线运动.下列选项正确的是A.ma>mb>mcB.mb>ma>mcC.mc>ma>mbD.mc>mb>ma图14√解析设三个微粒的电荷量均为q,a在纸面内做匀速圆周运动,说明洛伦兹力提供向心力,重力与电场力平衡,即mag=qE ①b在纸面内向右做匀速直线运动,三力平衡,则mbg=qE+qvbB ②c在纸面内向左做匀速直线运动,三力平衡,则mcg+qvcB=qE ③比较①②③式得:mb>ma>mc,选项B正确.7.(2020·安徽蚌埠市高三月考)如图15所示,放在水平地面上的光滑绝缘圆筒内有两个带正电的小球A、B,A位于筒底靠在左侧壁处,B在右侧筒壁上受到A的斥力作用处于静止状态.若A的电荷量保持不变,B由于漏电而下降少许重新平衡,下列说法中正确的是

A.小球A对筒底的压力变小B.小球B对筒壁的压力变大C.小球A、B间的库仑力变小D.筒壁对小球A的弹力变小命题预测78图15√78解析以整体为研究对象可知,圆筒底部对A球的支持力大小等于A、B两球的总重力,由牛顿第三定律可知A对筒底的压力大小也等于A、B两球的总重力,小球A对筒底的压力不变,故A错误;对B球受力分析如图所示根据平衡条件有FN=mgtanθ球B由于漏电而下降少许重新平衡,θ角变大,因此筒壁给球B的支持力FN=mgtanθ增大,78根据牛顿第三定律可知B球对筒壁的压力变大,故B正确;小球A、B间的库仑力为θ角变大,cosθ变小,库仑力F变大,故C错误;以AB两球整体为研究对象,筒壁对B的弹力等于筒壁对A的弹力,所以筒壁对A的弹力增大,故D错误.8.(2020·山西吕梁市期末)如图16所示,在磁感应强度B=1.0T、方向竖直向下的匀强磁场中,有一个与水平面成θ=37°角的导电滑轨,滑轨上垂直放置着一个可自由移动的金属杆.已知接在滑轨中的电源电动势E=16V,内阻r=1Ω.ab杆长L=0.5m,质量m=0.2kg,杆与滑轨间的动摩擦因数μ=0.5,滑轨与ab杆的电阻忽略不计.求要使杆在滑轨上保持静止,滑动变阻器R的阻值在什么范围内变化?(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8,可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力)图1678答案1Ω≤R≤21Ω解析分别画出ab杆在恰好不下滑和恰好不上滑这两种情况下的受力分析图,如图所示.78当ab杆恰好不下滑时,如图甲所示.由平衡条件得:沿滑轨方向:mgsinθ=Ff1+F安1cosθ,垂直滑轨方向:FN1=mgcosθ+F安1sinθ,解得:R1=21Ω78当ab杆恰好不上滑时,如图乙所示,由平衡条件得:沿滑轨方向:mgsinθ+Ff2=F安2cosθ垂直滑轨方向:FN2=mgcosθ+F安2sinθ解得R2=1Ω;所以,要使杆在滑轨上保持静止,R的阻值的取值范围是1Ω≤R≤21Ω.1.(多选)(2020·哈尔滨师大附中联考)如图1所示为形状相同的两个劈形物体,它们之间的接触面光滑,两物体与水平地面的接触面均粗糙,现对A施加水平向右的力F,两物体均保持静止,则物体B的受力个数可能是A.2个 B.3个C.4个 D.5个√保分基础练1234567891011121314图1√专题强化练15解析对A受力分析可知,当F小于或等于A所受的最大静摩擦力时,A、B之间没有弹力,当F大于A所受的最大静摩擦力时,则A、B之间有弹力.当A对B没有弹力时,B受到重力和地面的支持力2个力;当A对B有弹力时,B还受到重力、地面的支持力与摩擦力,共4个力,故A、C正确,B、D错误.1234567891011121314152.(2020·福建莆田市检测)如图2,某同学将一足球静止摆放在收纳架上.他估测得足球的直径约为20cm,质量约为0.48kg,收纳架两根平行等高的横杆之间的距离d约为12cm.忽略足球的形变以及球与横杆之间的摩擦,重力加速度g取10m/s2,则可估算出一根横杆对足球的弹力约为A.2.4N B.3.0N C.4.0N D.4.8N1234567891011121314图2√1512345678910111213解析对足球受力分析如图所示,设每根横杆对足球的弹力方向与竖直方向夹角为α,由几何关系可知14对足球,竖直方向有2FNcosα=mg解得FN=3.0N故选B.153.(2020·广东茂名市测试)如图3所示,质量分别为3m和m的两个可视为质点的小球a、b,中间用一细线连接,并通过另一细线将小球a与天花板上的O点相连,为使小球a和小球b均处于静止状态,且Oa细线向右偏离竖直方向的夹角恒为37°,需要对小球b朝某一方向施加一拉力F.若已知sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度大小为g,则当F的大小达到最小时,Oa细线对小球a的拉力大小为A.2.4mg B.3mgC.3.2mg D.4mg12345678910111213√图31415解析以两个小球组成的整体为研究对象,分析受力作出F在三个方向时整体的受力图如图所示,根据平衡条件得F与FT的合力与总重力总是大小相等、方向相反的,由力的合成图可知当F与绳子Oa垂直时F有最小值,即图中2位置,1234567891011121314此时Oa细线对小球a的拉力大小为FT=4mgcos37°=3.2mg,故C正确,A、B、D错误.154.(2020·天津高三一模)如图4所示,两个可视为质点的小球A、B通过固定在O点的光滑滑轮用轻绳相连,小球A置于光滑半圆柱上,小球B用水平轻绳拉着,水平轻绳另一端系于竖直板上,两球均处于静止状态.已知O点在半圆柱横截面圆心O1的正上方,OA与竖直方向成30°角、其长度与半圆柱横截面的半径相等,OB与竖直方向成60°角,则1234567891011121314A.轻绳对球A的拉力与球A所受弹力的合力大小相等B.轻绳对球A的拉力与半圆柱对球A的弹力大小不相等C.轻绳AOB对球A的拉力与对球B的拉力大小之比为D.球A与球B的质量之比为2∶1图4√15解析设轻绳中拉力为FT,对球A受力分析如图所示,所受弹力的合力为绳对A的拉力和半圆柱对球A的弹力的合力,与重力等大反向,大于FT,故A错误;对球A受力分析可得FTsin30°=FNsin30°,FTcos30°+FNcos30°=mAg轻绳对A的拉力与对球B的拉力都等于FT,故C错误;对球B有:FTcos60°=mBg,则FT=2mBg1234567891011121314155.(多选)(2020·北京市十一学校高三月考)如图5所示,木块在垂直于倾斜天花板方向的推力

F

作用下处于静止状态,下列判断正确的是A.天花板与木块间的弹力可能为零B.天花板对木块的摩擦力一定不为零C.逐渐增大

F,木块将始终保持静止状态D.逐渐增大

F,木块受到天花板的摩擦力也随之增大1234567891011121314图5√√15对木块受力分析如图所示.根据平衡条件得F=FN+Gcosα,Ff=Gsinα,当逐渐增大F的过程,FN增大,最大静摩擦力增大,而木块受到的静摩擦力Ff不变,木块将始终保持静止,故C正确,D错误.1234567891011121314解析木块在重力作用下,有沿天花板下滑的趋势,一定受到静摩擦力,则天花板对木块一定有弹力,故A错误,B正确;156.如图6所示,用三根轻绳将A、B两小球以及水平天花板上的固定点O之间两两连接.然后用一水平方向的力F作用于A球上,此时三根轻绳均处于伸直状态,且OB绳恰好处于竖直方向,两球均处于静止状态.已知三根轻绳的长度之比为OA∶AB∶OB=3∶4∶5,两球质量关系为mA=2mB=2m,则下列说法正确的是1234567891011121314√图6151234567891011121314解析对球B受力分析,受到重力、OB的拉力,二力方向相反,假设AB绳子有拉力,则拉力的方向一定沿着绳子由B指向A的,球B会偏离竖直方向,与题设矛盾,故AB绳子的拉力为零,故OB绳子的拉力等于球B的重力,大小为mg,故A、D错误;对球A受力分析,受拉力F、重力2mg和AO绳子的拉力FT,157.(2020·山东省普通高中学业水平等级模拟考试)如图7所示,有10块完全相同的长方体木板叠放在一起,每块木板的质量为100g,用手掌在这叠木板的两侧同时施加大小为F的水平压力,使木板悬空水平静止.若手与木板之间的动摩擦因数为0.5,木板与木板之间的动摩擦因数为0.2,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10m/s2,则F至少为A.25N B.20NC.15N D.10N1234567891011121314图7√1512345678910111213解析先将所有的木板看成一个整体,竖直方向受重力、静摩擦力,二力平衡,有:2μ1F≥10mg再以除最外侧两块板(中间8块板)为研究对象,竖直方向受重力、静摩擦力,二力平衡,有:2μ2FN≥8mg,且FN=F联立解得F≥20N,选项B正确,A、C、D错误.14158.(多选)如图8,柱体A的横截面是圆心角为

的扇形面,其弧形表面光滑,而与地面接触的下表面粗糙.在光滑竖直墙壁与柱体之间放置一质量为m的球体,系统处于平衡状态.若使柱体向左移动稍许,系统仍处于平衡状态,则A.球对墙的压力增大B.柱体与球之间的作用力增大C.柱体所受的摩擦力减小D.柱体对地面的压力减小12345678910111213图814√√15解析先对球受力分析,球受重力、柱体A对球的支持力FN1和墙壁对球的支持力FN2,如图甲所示,1234567891011121314再对整体受力分析,受重力、地面支持力FN、墙壁对其向左的支持力FN2和地面对其向右的摩擦力Ff,如图乙所示,根据共点力平衡条件,有:Ff=FN2,FN=(M+m)g,故有:Ff=mgtanθ,若使柱体向左移动稍许,系统仍处于平衡状态,θ变大,151234567891011121314故Ff变大,FN2变大,FN不变,根据牛顿第三定律可知柱体对地面的压力不变,FN1变大,根据牛顿第三定律可知球对墙的压力增大,故选项A、B正确,C、D错误.1512345678910111213149.(2020·陕西渭南市富平县高三期末)粗细均匀的导体棒ab悬挂在两根相同的轻质弹簧下,ab恰好在水平位置,如图9所示.已知ab的质量m=2g,ab的长度L=20cm,沿水平方向与ab垂直的匀强磁场的磁感应强度B=0.1T,电池的电动势为12V,电路总电阻为12Ω.当开关闭合时A.导体棒ab所受的安培力方向竖直向上B.能使两根弹簧恰好处于自然状态C.导体棒ab所受的安培力大小为0.02ND.若系统重新平衡后,两弹簧的伸长量均与闭合开关

前相比改变了0.5cm,则弹簧的劲度系数为5N/m图9√151234567891011121314解析当开关闭合时,由左手定则可知,导体棒ab所受的安培力方向竖直向下,弹簧处于拉伸状态,选项A、B错误;则ab所受的安培力大小为F安=BIL=0.1×1×0.2N=0.02N,选项C正确;选项D错误.15123456789101112131410.(2020·内蒙古呼伦贝尔市海拉尔区高考模拟)吊兰是常养的盆栽植物之一,如图10所示是悬挂的吊兰盆栽,四条等长的轻绳与竖直方向夹角均为30°,花盆总质量为2kg,取g=10m/s2,则每根绳的弹力大小为A.5N B.NC.10ND.20N图10争分提能练√151234567891011121314解析根据对称性可知,每根绳的拉力大小相等,设每根绳的拉力大小为F.在竖直方向,由平衡条件得:4Fcos30°=mg,15123456789101112131411.(多选)(2020·百校联盟必刷卷三)如图11所示,光滑圆环固定在竖直面内,一个小球套在环上,用穿过圆环顶端光滑小孔的细线连接,现用水平力F拉细线,使小球缓慢沿圆环向上运动,此过程中圆环对小球的弹力大小为FN,则在运动过程中A.F增大 B.F减小C.FN不变 D.FN增大√图11√151234567891011121314解析小球沿圆环缓慢上移,对小球进行受力分析,小球受重力G、F、FN三个力,满足受力平衡.作出受力分析图如图所示;由图可知△OAB∽△GFNF,即:小球沿圆环缓慢上移时,半径不变,重力G不变,AB长度减小,故F减小,FN不变,故选B、C.1512.如图12,滑块A置于水平地面上,滑块B在一水平力作用下紧靠滑块A(A、B接触面竖直),此时A恰好不滑动,B刚好不下滑.已知A与B间的动摩擦因数为μ1,A与地面间的动摩擦因数为μ2,最大静摩擦力等于滑动摩擦力.A与B的质量之比为1234567891011121314√图12151234567891011121314解析对滑块A、B整体在水平方向上有F=μ2(mA+mB)g,对滑块B在竖直方向上有μ1F=mBg,15123456789101112131413.(多选)(2020·广东肇庆市第二次统考)如图13所示,斜面体置于粗糙水平地面上,斜面体上方水平固定一根光滑直杆,直杆上套有一个滑块.滑块连接一根细线,细线的另一端连接一个置于斜面上的光滑小球.最初斜面体与小球都保持静止,现对滑块施加水平向右的外力使其缓慢向右滑动至A点,如果整个过程斜面体保持静止,小球未滑离斜面,滑块滑动到A点时细线恰好平行于斜面,则下列说法正确的是A.斜面对小球的支持力逐渐减小B.细线对小球的拉力逐渐减小C.滑块受到的水平向右的外力逐渐增大D.水平地面对斜面体的支持力逐渐减小图13√√1512345

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