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高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十一章 电路及其应用1 电源和电流教案
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这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十一章 电路及其应用1 电源和电流教案，共10页。教案主要包含了教学目标，核心素养等内容，欢迎下载使用。
课题
电源和电流
单元
11
学科
物理
年级
高二
教材
分析
本节课所采用的教材是人教版高中物理必修3第11章第1节的内容, 把电路知识与电场知识紧密联系起来是这套教科书在电路知识呈现方面的一大特色．本节教材内容正是电场与电路两部分知识的衔接，起承上启下的作用。例如，用电场的知识分析了两个分别带正、负电荷的导体之间的电势差，同时分析了连接在它们之间的导线中自由电子的定向移动情况，从而描述了电源在电路中的作用。
这种编排方式以学生刚刚学过的电场知识入手，分析、讨论问题，有效地将“场”和 “路”的知识相联系，有利于培养学生不断运用学到的知识分析、解决实际问题的意识和能力
学习本节知识有利于学生电磁学知识体系的构建，避免知识的割裂．
教学目标与核心素养
一、教学目标
1.了解形成电流的条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场，初步体会动态平衡的思想．
2.理解电流的定义，知道电流的单位、方向的规定;理解恒定电流。
3.经历金属导体内自由电子定向移动速率的推导过程，从微观的角度理解导体中电荷的
定向移动与电流之间的关系。
二、核心素养
物理观念：通过学习恒定电场和恒定电流，初步建立动态平衡的物理观念。
科学思维：通过“场”和 “路”的知识相联系，培养学生不断运用学到的知识分析、解决实际问题的意识和能力
科学探究：探究金属导体内自由电子定向移动速率的推导过程。
科学态度与责任：通过对电源、电流的学习，培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。
重点
理解电源的形成过程及电流的产生，会灵活运用公式计算电流的大小
难点
电流概念的建立以及电流的微观表达。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
电学已经改变了我们的生活方式，并且产生了一个巨大的工程应用领域。
——塞格雷
出示图片:意大利裔美籍物理学家塞格雷
今天我们就来学习电学的基础知识电源和电流。
思考：电闪雷鸣时，强大的电流使天空不时发出耀眼的闪光，但它只能存在于一瞬间，而手电筒中的小灯泡却能持续发光，这是为什么？
手电筒中的小灯泡却能持续发光主要原因就是电路中有电源，今天我们就先从电源的知识学起。
思考问题
自然引入本节课题
讲授新课
一、电源
思考1：如图所示分别带正、负电荷的A、B两个导体球，如果用一条导线H将它们连接起来会发生什么现象？
导线 H 中的自由电子在静电力的作用下沿导线做定向运动，形成电流。
思考2：导线 H 中的电流能够持续吗？请解释原因。
导线 H 中的自由电子由B向A移动，B 失去电子，A 得到电子，A、B 之间的电势差很快消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡，以后自由电子不再移动，所以导线 H 中的电流只是瞬间的。不能持续。
思考3：如何才能使导线 H 中存在持续的电流呢？
装置 P
如果在 A、B 之间连接一个装置 P它能在 B 失去电子的过程中，不断地从 A 取走电子，补充给 B，使 A、B 始终带一定数量的正、负电荷。这样，A、B 之间始终存在电势差，H 内就会存在持续的电流。
1．电源定义：能把电子从A搬运到B的装置。装置P就是电源。
A、B就是电源的正负两个极。
2.电源的作用：保持导体两端的电势差（电压），使电路有持续的电流。
二、恒定电流
1.恒定电场
（1）电荷和电场的分布不随时间变化，即这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。
（2）A、B 周围空间的电场就是恒定电场，它是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。
注意：恒定电场不是静电场，但静电场中的一些规律同样适用于恒定电场。
2.恒定电流
（1）把大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
（2）电流
①物理意义：表示电流强弱的物理量。电流就越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多。
②定义：通过导体横截面的电量q跟通过这些电量所用时间t的比值叫做电流。
③公式：I —电流 q —电荷量
④单位：在国际单位制中，电流的单位是安培简称安，符号是 A。 1A=1C/s 常用单位：毫安（mA）、微安（μA）
它们与安培的关系是：1 mA ＝ 10 -3 A 1 μA ＝ 10 -6 A
⑤方向：导体内正电荷定向移动的方向为电流的方向。
金属导体中自由移动的电荷是自由电子，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。
注意：电流虽然有方向，但电流是标量，它遵循代数运算法则，不遵循平行四边形定则。
3.对公式的理解
（1）q是时间t内通过某横截面的电荷量，不是单位横截面的电荷量。
用该式计算出的电流是时间t内的平均值。对于恒定电流，电流的瞬时值与平均值相等。
（2）电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反，但正负离子定向移动形成的电流方向是相同的，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。
例题:某电解池，如果在1s内共有5×1018个二价正离子和1×1019个一价负离子通过面积为0.1m2的某截面，那么通过这个截面的电流是（ ）
A．0 B．0.8A C．1.6A D．3.2A
解析：由题，1s内通过截面正离子的电量为q1=2n1e，负离子的电量绝对值为q2=n2e，则电流为I=（q1+q2 ）/t = (2n1+n2)e /t ，将n1=5×1018个，n2=1×1019个，e=1.6×10-19C代入解得，I=3.2A
故选：D
拓展学习 电流的微观解释
通常情况下，金属中的自由电子不断地做无规则的热运动，它们朝任何方向运动的机会都一样。
从宏观上看，没有电荷（自由电子）的定向移动，因而也没有电流。
如果导体两端有电势差，导体中的自由电子就要受到静电力的作用。除了做无规则的热运动外，还要在静电力的作用下定向移动，从而形成电流。
金属导体中的电流跟自由电子的定向移动速率有关，下面就来推导它们之间的关系。
如图设导体的横截面积为 S ，自由电子数密度（单位体积内的自由电子数）为n，自由电子定向移动的平均速率为v电子电荷量为 e。
导体左端的自由电子到达右端
解：时间 t 内通过横截面的电荷量 q＝ne（Svt）。
根据电流的公式 I＝q/t，得到电流和自由电子定向移动平均速
I=neSV
说明
①根据电流的微观表达式可以看出，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、自由电荷的电荷量、自由电荷定向移动的速度，还与导体的横截面积有关。
②由I=neSV可以看出，同种导体横截面积越大的位置，电荷定向移动的速率越小。
思考讨论1：电子的定向运动速率、电流的传导速率、电子热运动的速率一样吗？
电子的定向运动速率:电子在金属导体中的平均运动速率。平均速率约为 1×10 -4 m/s
电流的传导速率:电流在导体中的传导速率等于光速，平均速率约为3×108m/s
电子热运动的速率:自由电子在导体内做无规则热运动的速率，平均速率约为3×108m/s
思考讨论2：如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，和我们的生活经验是否相符？
参考答案:导体两端加上电压，自由电子定向移动的平均速率约为 10 -4 m/s。按这个定向移动平均速率计算，一个电子通过一条 1 m 长的导体需要几个小时！这与我们平时开关电灯时的感觉不符。
实际上，闭合开关的瞬间，电路中的各个位置以光速迅速建立了电场。随着电场的建立，电路中各处的自由电子在静电力的作用下几乎同时开始做定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流。
STSE 电动汽车中的电池
1.纯电动汽车使用的能源是什么？电池的材料是什么？
纯电动汽车使用的能源不是汽油，而是电能，提供电能的是锂离子电池，锂离子电池以碳材料为负极，以含锂的化合物为正极。
2.说一说锂离子电池的原理。
锂离子电池以碳材料为负极，以含锂的化合物为正极。在充电的过程中，通过化学反应，电池的正极有锂离子生成，锂离子通过电解液运动到电池的负极。负极的碳材料有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌在这些微孔中，嵌入的锂离子越多，电池中充入的电荷量也就越多。当汽车开动时，在负极的锂离子又会通过电解液返回正极，回到正极的锂离子越多，则放出的电荷量也就越大.
锂离子电池原理
课堂练习
1．以下说法正确的是（ ）
A．国际单位制中，电流是一个基本物理量，其单位“安培”是基本单位
B．导体中没有电流，就说明导体内部的电荷没有移动
C．电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率
D．在金属导体内当自由电子定向移动时，它们的热运动就消失了
答案:A
2.雷击，指打雷时电流通过人、畜、树木、建筑物等而造成杀伤或破坏，其中一种雷击形式是带电的云层与大地上某点之间发生迅猛的放电现象，叫作“直击雷”。若某次发生“直击雷”前瞬间云层所带的电荷量为8C，雷击时放电时间为200μs，则此次雷击时的平均电流为（ ）
A．0.04A B．4×104A
C．0.08A D．8×104A
答案:B
3．在一段导体两端加上电压，已知在10s内通过此导体横截面的电荷量是4C，则通过这段导体的电流是（ ）
A．40A
B．2.5A
C．0.4A
D．14A
答案:C
4.关于电流，下列说法正确的是（ ）
A．电子的运动速率越大，电流就越大
B．单位时间内通过导体横截面积的电量越多，导体中的电流越大
C．因为电流有方向，所以电流是矢量
D．导体中的电流，一定是自由电子的定向移动形成的
答案:B
拓展提高
1.一根长为L，横截面积为S的金属棒，棒内单位体积自由电子数为n，电子的质量为m，电荷量为 e。在棒两端加上恒定的电压时，棒内产生电流I，则自由电子定向运动的平均速率为（ ）
A．neSLm B．
C． D．
答案:C
2.有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流强度为I；设每单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电量为e，此电子的定向移动速率为v，在Δt时间内，通过导线横截面的自由电子数可表示为 （ ）
A．nvSΔt
B．nv·Δt
C．IΔt /e
D．IΔt /eS
答案:AC
学生阅读课文思考回答问题1.2.3
学生理解恒定电场
学生阅读课文记忆电流的物理意义、定义
、公式、方向
等基本知识
学生练习
学生阅读课文在教师的引导下推导电流的微观表达式
学生思考讨论
学生阅读课文回答问题
学生练习
锻炼学生的自主学习能力，了解产生持续电流的条件，掌握电源的定义以及作用
让学生了解恒定电场中“恒定”的意义是相对于静电场而言的，其本质为动态平衡
锻炼学生自主学习能力，为以后的灵活运用打下坚实的基础
巩固电流知识
锻炼学生逻辑思维能力，有助于学生的对电流的形成有个深刻理解
了解电子的定向运动速率、电流的传导速率、电子热运动的速率
锻炼学生的自主学习能力
巩固所学知识
课堂小结
1．定义：能把电子从A搬运到B的装置。
2.电源的作用：保持导体两端的电势差（电压），使电路有持续的电流。
3.恒定电流
（1）把大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
（2）公式：
（3）方向：导体内正电荷定向移动的方向为电流的方向。
4.金属导体中电流的计算式： I=neSV
梳理自己本节所学知识进行交流
根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
板书
一、电源
1．定义：能把电子从A搬运到B的装置。
2.电源的作用：保持导体两端的电势差（电压），使电路有持续的电流。
二、恒定电流
1.恒定电场：电荷和电场的分布不随时间变化，即由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。
2.恒定电流
（1）把大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
（2）公式：
（3）单位：安培(A)、毫安(mA)、和微安(μA)。
（4）方向：导体内正电荷定向移动的方向为电流的方向。
3.金属导体中电流的计算式： I=neSV
课题
电源和电流
单元
11
学科
物理
年级
高二
教材
分析
本节课所采用的教材是人教版高中物理必修3第11章第1节的内容, 把电路知识与电场知识紧密联系起来是这套教科书在电路知识呈现方面的一大特色．本节教材内容正是电场与电路两部分知识的衔接，起承上启下的作用。例如，用电场的知识分析了两个分别带正、负电荷的导体之间的电势差，同时分析了连接在它们之间的导线中自由电子的定向移动情况，从而描述了电源在电路中的作用。
这种编排方式以学生刚刚学过的电场知识入手，分析、讨论问题，有效地将“场”和 “路”的知识相联系，有利于培养学生不断运用学到的知识分析、解决实际问题的意识和能力
学习本节知识有利于学生电磁学知识体系的构建，避免知识的割裂．
教学目标与核心素养
一、教学目标
1.了解形成电流的条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场，初步体会动态平衡的思想．
2.理解电流的定义，知道电流的单位、方向的规定;理解恒定电流。
3.经历金属导体内自由电子定向移动速率的推导过程，从微观的角度理解导体中电荷的
定向移动与电流之间的关系。
二、核心素养
物理观念：通过学习恒定电场和恒定电流，初步建立动态平衡的物理观念。
科学思维：通过“场”和 “路”的知识相联系，培养学生不断运用学到的知识分析、解决实际问题的意识和能力
科学探究：探究金属导体内自由电子定向移动速率的推导过程。
科学态度与责任：通过对电源、电流的学习，培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。
重点
理解电源的形成过程及电流的产生，会灵活运用公式计算电流的大小
难点
电流概念的建立以及电流的微观表达。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
电学已经改变了我们的生活方式，并且产生了一个巨大的工程应用领域。
——塞格雷
出示图片:意大利裔美籍物理学家塞格雷
今天我们就来学习电学的基础知识电源和电流。
思考：电闪雷鸣时，强大的电流使天空不时发出耀眼的闪光，但它只能存在于一瞬间，而手电筒中的小灯泡却能持续发光，这是为什么？
手电筒中的小灯泡却能持续发光主要原因就是电路中有电源，今天我们就先从电源的知识学起。
思考问题
自然引入本节课题
讲授新课
一、电源
思考1：如图所示分别带正、负电荷的A、B两个导体球，如果用一条导线H将它们连接起来会发生什么现象？
导线 H 中的自由电子在静电力的作用下沿导线做定向运动，形成电流。
思考2：导线 H 中的电流能够持续吗？请解释原因。
导线 H 中的自由电子由B向A移动，B 失去电子，A 得到电子，A、B 之间的电势差很快消失，两导体成为一个等势体，达到静电平衡，以后自由电子不再移动，所以导线 H 中的电流只是瞬间的。不能持续。
思考3：如何才能使导线 H 中存在持续的电流呢？
装置 P
如果在 A、B 之间连接一个装置 P它能在 B 失去电子的过程中，不断地从 A 取走电子，补充给 B，使 A、B 始终带一定数量的正、负电荷。这样，A、B 之间始终存在电势差，H 内就会存在持续的电流。
1．电源定义：能把电子从A搬运到B的装置。装置P就是电源。
A、B就是电源的正负两个极。
2.电源的作用：保持导体两端的电势差（电压），使电路有持续的电流。
二、恒定电流
1.恒定电场
（1）电荷和电场的分布不随时间变化，即这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。
（2）A、B 周围空间的电场就是恒定电场，它是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。
注意：恒定电场不是静电场，但静电场中的一些规律同样适用于恒定电场。
2.恒定电流
（1）把大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
（2）电流
①物理意义：表示电流强弱的物理量。电流就越大，单位时间内通过导体横截面的电荷量越多。
②定义：通过导体横截面的电量q跟通过这些电量所用时间t的比值叫做电流。
③公式：I —电流 q —电荷量
④单位：在国际单位制中，电流的单位是安培简称安，符号是 A。 1A=1C/s 常用单位：毫安（mA）、微安（μA）
它们与安培的关系是：1 mA ＝ 10 -3 A 1 μA ＝ 10 -6 A
⑤方向：导体内正电荷定向移动的方向为电流的方向。
金属导体中自由移动的电荷是自由电子，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。
注意：电流虽然有方向，但电流是标量，它遵循代数运算法则，不遵循平行四边形定则。
3.对公式的理解
（1）q是时间t内通过某横截面的电荷量，不是单位横截面的电荷量。
用该式计算出的电流是时间t内的平均值。对于恒定电流，电流的瞬时值与平均值相等。
（2）电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反，但正负离子定向移动形成的电流方向是相同的，q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。
例题:某电解池，如果在1s内共有5×1018个二价正离子和1×1019个一价负离子通过面积为0.1m2的某截面，那么通过这个截面的电流是（ ）
A．0 B．0.8A C．1.6A D．3.2A
解析：由题，1s内通过截面正离子的电量为q1=2n1e，负离子的电量绝对值为q2=n2e，则电流为I=（q1+q2 ）/t = (2n1+n2)e /t ，将n1=5×1018个，n2=1×1019个，e=1.6×10-19C代入解得，I=3.2A
故选：D
拓展学习 电流的微观解释
通常情况下，金属中的自由电子不断地做无规则的热运动，它们朝任何方向运动的机会都一样。
从宏观上看，没有电荷（自由电子）的定向移动，因而也没有电流。
如果导体两端有电势差，导体中的自由电子就要受到静电力的作用。除了做无规则的热运动外，还要在静电力的作用下定向移动，从而形成电流。
金属导体中的电流跟自由电子的定向移动速率有关，下面就来推导它们之间的关系。
如图设导体的横截面积为 S ，自由电子数密度（单位体积内的自由电子数）为n，自由电子定向移动的平均速率为v电子电荷量为 e。
导体左端的自由电子到达右端
解：时间 t 内通过横截面的电荷量 q＝ne（Svt）。
根据电流的公式 I＝q/t，得到电流和自由电子定向移动平均速
I=neSV
说明
①根据电流的微观表达式可以看出，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、自由电荷的电荷量、自由电荷定向移动的速度，还与导体的横截面积有关。
②由I=neSV可以看出，同种导体横截面积越大的位置，电荷定向移动的速率越小。
思考讨论1：电子的定向运动速率、电流的传导速率、电子热运动的速率一样吗？
电子的定向运动速率:电子在金属导体中的平均运动速率。平均速率约为 1×10 -4 m/s
电流的传导速率:电流在导体中的传导速率等于光速，平均速率约为3×108m/s
电子热运动的速率:自由电子在导体内做无规则热运动的速率，平均速率约为3×108m/s
思考讨论2：如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，和我们的生活经验是否相符？
参考答案:导体两端加上电压，自由电子定向移动的平均速率约为 10 -4 m/s。按这个定向移动平均速率计算，一个电子通过一条 1 m 长的导体需要几个小时！这与我们平时开关电灯时的感觉不符。
实际上，闭合开关的瞬间，电路中的各个位置以光速迅速建立了电场。随着电场的建立，电路中各处的自由电子在静电力的作用下几乎同时开始做定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流。
STSE 电动汽车中的电池
1.纯电动汽车使用的能源是什么？电池的材料是什么？
纯电动汽车使用的能源不是汽油，而是电能，提供电能的是锂离子电池，锂离子电池以碳材料为负极，以含锂的化合物为正极。
2.说一说锂离子电池的原理。
锂离子电池以碳材料为负极，以含锂的化合物为正极。在充电的过程中，通过化学反应，电池的正极有锂离子生成，锂离子通过电解液运动到电池的负极。负极的碳材料有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌在这些微孔中，嵌入的锂离子越多，电池中充入的电荷量也就越多。当汽车开动时，在负极的锂离子又会通过电解液返回正极，回到正极的锂离子越多，则放出的电荷量也就越大.
锂离子电池原理
课堂练习
1．以下说法正确的是（ ）
A．国际单位制中，电流是一个基本物理量，其单位“安培”是基本单位
B．导体中没有电流，就说明导体内部的电荷没有移动
C．电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率
D．在金属导体内当自由电子定向移动时，它们的热运动就消失了
答案:A
2.雷击，指打雷时电流通过人、畜、树木、建筑物等而造成杀伤或破坏，其中一种雷击形式是带电的云层与大地上某点之间发生迅猛的放电现象，叫作“直击雷”。若某次发生“直击雷”前瞬间云层所带的电荷量为8C，雷击时放电时间为200μs，则此次雷击时的平均电流为（ ）
A．0.04A B．4×104A
C．0.08A D．8×104A
答案:B
3．在一段导体两端加上电压，已知在10s内通过此导体横截面的电荷量是4C，则通过这段导体的电流是（ ）
A．40A
B．2.5A
C．0.4A
D．14A
答案:C
4.关于电流，下列说法正确的是（ ）
A．电子的运动速率越大，电流就越大
B．单位时间内通过导体横截面积的电量越多，导体中的电流越大
C．因为电流有方向，所以电流是矢量
D．导体中的电流，一定是自由电子的定向移动形成的
答案:B
拓展提高
1.一根长为L，横截面积为S的金属棒，棒内单位体积自由电子数为n，电子的质量为m，电荷量为 e。在棒两端加上恒定的电压时，棒内产生电流I，则自由电子定向运动的平均速率为（ ）
A．neSLm B．
C． D．
答案:C
2.有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流强度为I；设每单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电量为e，此电子的定向移动速率为v，在Δt时间内，通过导线横截面的自由电子数可表示为 （ ）
A．nvSΔt
B．nv·Δt
C．IΔt /e
D．IΔt /eS
答案:AC
学生阅读课文思考回答问题1.2.3
学生理解恒定电场
学生阅读课文记忆电流的物理意义、定义
、公式、方向
等基本知识
学生练习
学生阅读课文在教师的引导下推导电流的微观表达式
学生思考讨论
学生阅读课文回答问题
学生练习
锻炼学生的自主学习能力，了解产生持续电流的条件，掌握电源的定义以及作用
让学生了解恒定电场中“恒定”的意义是相对于静电场而言的，其本质为动态平衡
锻炼学生自主学习能力，为以后的灵活运用打下坚实的基础
巩固电流知识
锻炼学生逻辑思维能力，有助于学生的对电流的形成有个深刻理解
了解电子的定向运动速率、电流的传导速率、电子热运动的速率
锻炼学生的自主学习能力
巩固所学知识
课堂小结
1．定义：能把电子从A搬运到B的装置。
2.电源的作用：保持导体两端的电势差（电压），使电路有持续的电流。
3.恒定电流
（1）把大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
（2）公式：
（3）方向：导体内正电荷定向移动的方向为电流的方向。
4.金属导体中电流的计算式： I=neSV
梳理自己本节所学知识进行交流
根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
板书
一、电源
1．定义：能把电子从A搬运到B的装置。
2.电源的作用：保持导体两端的电势差（电压），使电路有持续的电流。
二、恒定电流
1.恒定电场：电荷和电场的分布不随时间变化，即由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫作恒定电场。
2.恒定电流
（1）把大小、方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。
（2）公式：
（3）单位：安培(A)、毫安(mA)、和微安(μA)。
（4）方向：导体内正电荷定向移动的方向为电流的方向。
3.金属导体中电流的计算式： I=neSV
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