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文檔簡(jiǎn)介
專題04功和機(jī)械能問(wèn)題一、必備知識(shí)(1)功的計(jì)算1、公式力學(xué)中規(guī)定:功等于力跟物體在力的方向上通過(guò)的距離的乘積,即W=FS。2、單位功的單位是焦,符號(hào)為J,1J=1N·m。3、注意事項(xiàng)a.分清是哪個(gè)力對(duì)物體做功,即明確公式中的F;b.公式中的“s”是在力F的方向上通過(guò)的距離,必須與“F”對(duì)應(yīng);c.F、s的單位分別是N、m,得出功的單位才是J。(2)方法——判斷力是否做功1.首先明確要判斷的是什么力是否做功,再明確受力物體及力的方向,最后分析物體是否在力的方向上移動(dòng)了一段距離。2力的方向與運(yùn)動(dòng)方向不一定要相同。例如,下圖小球下落過(guò)程中做曲線運(yùn)動(dòng),小球在重力方向(豎直方向)上通過(guò)的距離為h,則重力做的功為W=Gh(重力做功與路徑無(wú)關(guān))。3.力的方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí),力不做功(3)物體做功的快慢——功率1、定義單位時(shí)間內(nèi)所做的功叫做功率,用符號(hào)“P”表示;功率是表示物體做功快慢的物理量。2、公式:P=eq\f(W,t)=Fv(其中W是物體所做的功,單位是J;t是做功所用的時(shí)間,單位是s)3、單位:功率P的國(guó)際單位是瓦特,符號(hào)是W,1W=1J/s;常用單位還有kW,1kW=103W。4、運(yùn)用:由公式P=Fv知,當(dāng)功率P一定時(shí),速度v越小,力F越大;當(dāng)力F一定時(shí),功率P越大,速度v越大;當(dāng)速度v一定,功率P越大,則力F越大。(4)方法——機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化的判斷1、明確題目中的詞語(yǔ)描述的含義①物體表面粗糙、存在空氣阻力、彈起的小球不能到達(dá)初始高度等,則機(jī)械能減少;②忽略空氣阻力、不計(jì)機(jī)械間摩擦、物體表面光滑等,則機(jī)械能大多守恒。2、機(jī)械能轉(zhuǎn)化(2024?日照)港口裝載貨物時(shí),經(jīng)常通過(guò)斜面將貨物拉到甲板上。如圖甲所示,傾角為30°的斜面固定在水平地面上,體重為800N的工人用300N豎直向下的拉力將重500N的貨物從斜面底端拉到頂端。貨物沿著斜面運(yùn)動(dòng)的速度隨時(shí)間變化的圖像如圖乙所示,工人的鞋底與地面的總接觸面積約為500cm2,不計(jì)滑輪的摩擦和繩子的重力。求:(1)拉動(dòng)貨物時(shí)工人對(duì)地面的壓強(qiáng);(2)貨物在0~10s內(nèi)運(yùn)動(dòng)的平均速度;(3)貨物運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力大小?!窘獯稹拷猓海?)人對(duì)地面的壓力為:F壓=G人﹣F=800N﹣300N=500N,工人對(duì)水平地面的壓強(qiáng):p=F壓S(2)由圖乙可知貨物在0~5s和5~10s的運(yùn)動(dòng)速度分別為:v1=1.4m/s,v2=1.0m/s,由v=ss1=v1t=1.4m/s×5s=7m,s2=v2t=1.0m/s×5s=5m,則貨物在0~10s內(nèi)運(yùn)動(dòng)的路程為:s=s1+s2=7m+5m=12m,貨物在0~10s內(nèi)運(yùn)動(dòng)的速度為:v=s(3)由于斜面傾角為30°,所以物體在0~10s內(nèi)上升的高度為:h=12s定滑輪不省力,繩對(duì)物體的拉力與人的拉力大小相等,即F=300N,拉力所做的有用功為:W有=Gh=500N×6m=3000J,拉力所做的總功為:W總=Fs=300N×12m=3600J,因?yàn)椴挥?jì)滑輪的摩擦和繩子的重力,所以客服摩擦力所做的額外功為:W額=W總﹣W有=3600J﹣3000J=600J,貨物受到的摩擦力:f==W答:(1)拉動(dòng)貨物時(shí)工人對(duì)地面的壓強(qiáng)為1×104Pa;(2)貨物在0~10s內(nèi)運(yùn)動(dòng)的平均速度為1.2m/s;(3)貨物運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力大小為50N。(2024?廣元)如圖甲,一個(gè)底面積為100cm2的薄壁圓柱形容器中盛有深度為40cm的水。電動(dòng)機(jī)吊著一個(gè)底面積為50cm2的圓柱形金屬塊,從金屬塊底面距水面20cm高處開(kāi)始豎直下降,然后進(jìn)入水中,最后靜止在容器底部,金屬塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終做勻速直線運(yùn)動(dòng),水未溢出。整個(gè)過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)對(duì)金屬塊拉力的功率P與金屬塊運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的關(guān)系如圖乙。g取10N/kg,水的密度為1.0×103kg/m3,金屬塊下降過(guò)程中受到的阻力和繩子自重不計(jì)。求:(1)金屬塊下降的速度大小;(2)金屬塊浸沒(méi)在水中時(shí),受到的浮力大小;(3)金屬塊靜止在容器底部時(shí),上表面受到水的壓力大小?!窘獯稹拷猓海?)由圖乙知,前1s內(nèi),功率不變,且最大,此過(guò)程中,金屬塊未浸入水中,由圖甲知,金屬塊下降的高度為h=20cm=0.2m,則金屬塊下降的速度:v=?(2)根據(jù)P=Wt=此過(guò)程中,金屬塊受到豎直向上的拉力和豎直向下的重力作用,處于平衡狀態(tài),所以金屬塊的重力:G=F=30N;由圖乙可知,當(dāng)功率為5W時(shí),且保持不變,說(shuō)明金屬塊已當(dāng)浸沒(méi)在水中,根據(jù)P=Wt=此過(guò)程中,金屬塊受到豎直向上的拉力、浮力和豎直向下的重力作用,處于平衡狀態(tài),所以金屬塊浸沒(méi)在水中時(shí),受到的浮力:F浮=G﹣F′=30N﹣25N=5N;(3)金屬塊的體積等于金屬塊浸沒(méi)在水中時(shí)排開(kāi)水的體積,即:V金=V排=F浮ρ水g=5N金屬塊的高度:h金=V金屬塊浸沒(méi)在水中時(shí),容器中水的總高度:h水′=V金屬塊靜止在容器底部時(shí)上表面距水面的高度:h′=h水′﹣h金=45cm﹣10cm=35cm=0.35m,根據(jù)p=ρ液gh和p=FF上=ρ水ghS金=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.35m×50×10﹣4m2=17.5N。答:(1)金屬塊下降的速度大小為0.2m/s;(2)金屬塊浸沒(méi)在水中時(shí),受到的浮力大小為5N;(3)金屬塊靜止在容器底部時(shí),上表面受到水的壓力大小為17.5N。(2024?臨夏州)2023年12月18日23時(shí)59分,臨夏州積石山縣發(fā)生6.2級(jí)地震,道路中斷、房屋倒塌、人員傷亡,人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。地震發(fā)生后,中國(guó)人民解放軍第一時(shí)間趕赴災(zāi)區(qū)開(kāi)展搶險(xiǎn)救災(zāi)工作。此次搶險(xiǎn)工作中,我國(guó)自主研發(fā)的運(yùn)﹣20重型軍用運(yùn)輸機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)送物資及相關(guān)救援設(shè)備,為搶險(xiǎn)工作贏得了時(shí)間。(1)求運(yùn)﹣20以720km/h的速度飛行1.5h,能飛行多少千米;(2)若飛機(jī)及所有物資總重達(dá)150t,與地面的總接觸面積約為1.5m2,則飛機(jī)靜止在水平地面上時(shí)對(duì)地面的壓強(qiáng)是多大(g取10N/kg);(3)若運(yùn)﹣20在空中以720km/h的速度水平勻速直線飛行時(shí)所受阻力為1.6×105N,求此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的功率?!窘獯稹拷猓海?)運(yùn)﹣20以v=720km/h=200m/s的速度飛行1.5h,飛行距離s=vt=720km/h×1.5h=1080km;(2)該飛機(jī)的重力為:G=mg=150×103kg×10N/kg=1.5×106N;壓力F=G=1.5×106N;對(duì)地面的壓強(qiáng)p=FS=(3)若運(yùn)﹣20在空中以720km/h的速度水平勻速直線飛行時(shí)所受阻力等于牽引力為1.6×105N,功率P=Wt=Fst答:(1)能飛行1080km;(2)飛機(jī)靜止在水平地面上時(shí)對(duì)地面的壓強(qiáng)是106Pa;(3)此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的功率是3.2×107W。(2024?成都)2024年1月,“成都造”飛行汽車AE200在民航西南局的見(jiàn)證下首飛成功,如圖。此飛行汽車是全國(guó)首個(gè)獲民航局適航審定批復(fù)的有人駕駛電動(dòng)垂直起降飛行器,其最大航程可達(dá)300km。若該飛行汽車實(shí)現(xiàn)通航,從成都市中心出發(fā)飛往天府國(guó)際機(jī)場(chǎng),航程為68km,僅耗時(shí)15min,g取10N/kg,求:(1)該飛行汽車從成都市中心到天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)的平均速度是多少km/h?(2)若飛行汽車載著質(zhì)量為70kg的乘客豎直勻速上升500m,汽車對(duì)該乘客做功為多少J?【解答】解:(1)汽車飛行時(shí)間t=15min=0.25h,航程為s=68km,平均速度v=s(2)乘客的重力G=mg=70kg×10N/kg=700N汽車對(duì)乘客做功W=Fs=Gh=700N×500m=3.5×105J。答:(1)該飛行汽車的平均速度是272km/h;(2)汽車對(duì)該乘客做功為3.5×105J。(2024?廬陽(yáng)區(qū)校級(jí)三模)如圖所示,在某次冰壺運(yùn)動(dòng)中,運(yùn)動(dòng)員用30N的水平力將冰壺從A點(diǎn)推至B點(diǎn)后放手,用時(shí)2秒,隨后離手后的冰壺沿水平方向繼續(xù)滑行至O點(diǎn)停止,用時(shí)8秒。如圖乙所示,A點(diǎn)到O點(diǎn)的距離是30m,A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離是4m。求:(1)冰壺從A點(diǎn)到O點(diǎn)的平均速度;(2)投擲過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員對(duì)冰壺做的功率?!窘獯稹拷猓海?)由題意可得,冰壺從A點(diǎn)到O點(diǎn)所用的時(shí)間為t=2s+8s=10s,由v=st可得,冰壺從A點(diǎn)到O點(diǎn)的平均速度為v(2)由題意可得,AB段的距離為冰壺受到推力移動(dòng)的距離,則這次投擲過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員對(duì)冰壺做的功為W=Fs=30N×4m=120J,這次投擲過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員對(duì)冰壺做功的功率為P=W答:(1)冰壺從A點(diǎn)到O點(diǎn)的平均速度是3m/s;(2)投擲過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員對(duì)冰壺做的功率是60W。(2024?天府新區(qū)校級(jí)三模)2024年初小米汽車SU7正式上市,如圖。SU7作為中大型C級(jí)車,其輕量化水平和電池技術(shù)都表現(xiàn)出色。百公里能耗水平控制在11﹣13度電,這得益于先進(jìn)的電池技術(shù)和優(yōu)秀的整車設(shè)計(jì)。已知SU7自身質(zhì)量2200kg,某次搭載人員及物品總量2×103N,試駕人員駕車在高速路上勻速行駛了60km,其輪胎與地總接觸面積為300cm2,若SU7在行駛的過(guò)程中所受阻力為重力的0.02倍。(1)求此過(guò)程中牽引力對(duì)SU7所做的功。(2)求SU7靜止在水平地面時(shí)對(duì)水平路面的壓強(qiáng)。【解答】解:(1)SU7自身的重力:G車=m車g=2200kg×10N/kg=2.2×104N,車的總重力:G總=G車+G=2.2×104N+2×103N=2.4×104N,試駕人員駕車在高速路上勻速行駛,牽引力和阻力是平衡力,大小相等,即牽引力:F牽=f=0.02G總=0.02×2.4×104N=480N,此過(guò)程中牽引力對(duì)SU7所做的功:W=F牽s=480N×60×103m=2.88×107J;(2)SU7靜止在水平地面時(shí)對(duì)水平路面的壓力等于車的總重力,即:F=G總=2.4×104N,SU7對(duì)水平路面的壓強(qiáng):p=F答:(1)此過(guò)程中牽引力對(duì)SU7所做的功為2.88×107J。(2)SU7靜止在水平地面時(shí)對(duì)水平路面的壓強(qiáng)為8×105Pa。(2024?東莞市校級(jí)二模)如圖甲所示的地面清潔機(jī)器人,重為50N,與水平地面的接觸面積是100cm2,機(jī)器人在水平地面上運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)器人受到水平方向的牽引力F隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖乙所示,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度v隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖丙所示。(g取10N/kg)求:(1)該機(jī)器人對(duì)水平地面的壓強(qiáng);(2)第50s到第100s內(nèi)牽引力做的功;(3)第50s到第100s的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,牽引力的功率?!窘獯稹拷猓海?)該機(jī)器人對(duì)水平地面的壓力F壓=G=50N,該機(jī)器人對(duì)水平地面的壓強(qiáng)p=F(2)由乙和丙圖可知,物體在50s到100s做勻速直線運(yùn)動(dòng),物體的速度為0.5m/s,牽引力為0.8×102N。機(jī)器人行駛的距離為s=vt=0.5m/s×(100s﹣50s)=25m,第50s到第100s內(nèi)牽引力做的功為W=Fs=0.8×102N×25m=2000J;(3)第50s到第100s的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,牽引力的功率為P=W答:(1)該機(jī)器人對(duì)水平地面的壓強(qiáng)為5000Pa;(2)第50s到第100s內(nèi)牽引力做的功為2000J;(3)第50s到第100s的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,牽引力的功率為40W。(2024?建湖縣校級(jí)二模)2023年杭州第19屆亞運(yùn)會(huì),中國(guó)舉重“夢(mèng)之隊(duì)”共拿到5金3銀1銅的好成績(jī),下表為某位運(yùn)動(dòng)員參賽時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù),g取10N/kg。求:(1)該運(yùn)動(dòng)員的重力;(2)該運(yùn)動(dòng)員舉起杠鈴雙腳站立后對(duì)地面的壓強(qiáng);(3)該運(yùn)動(dòng)員抓舉舉杠過(guò)程對(duì)杠鈴所做的功的功率。參賽級(jí)別/kg85運(yùn)動(dòng)員體重/kg85抓舉舉杠高度/m2杠鈴質(zhì)量/kg178抓舉舉杠用時(shí)/s0.8單腳與地面接觸面積/cm2200【解答】解:(1)該運(yùn)動(dòng)員的重力為G人=m人g=85kg×10N/kg=850N;(2)運(yùn)動(dòng)員雙腳與地面的接觸面積約為S=2×200cm2=0.04m2,對(duì)地面的壓力F=G總=G人+G杠鈴=850N+178kg×10N/kg=2630N,該運(yùn)動(dòng)員舉起杠鈴后對(duì)地面的壓強(qiáng)為p=FS=(3)該運(yùn)動(dòng)員抓舉過(guò)程對(duì)杠鈴所做的功為W=G杠鈴h=m杠鈴gh=178kg×10N/kg×2m=3560J,對(duì)杠鈴所做的功的功率P=W答:(1)該運(yùn)動(dòng)員的重力是850N;(2)該運(yùn)動(dòng)員舉起杠鈴雙腳站立后對(duì)地面的壓強(qiáng)是6.575×104Pa;(3)該運(yùn)動(dòng)員抓舉舉杠過(guò)程對(duì)杠鈴所做的功的功率是4450W。(2024?修水縣校級(jí)模擬)如圖甲所示,這是某航母護(hù)衛(wèi)艦,小明查閱相關(guān)資料后得到該護(hù)衛(wèi)艦的參數(shù)如下表所示。某次執(zhí)行任務(wù)時(shí),護(hù)衛(wèi)艦從靜止出發(fā)以恒定最大推進(jìn)功率航行,加速航行0.96km時(shí)達(dá)到最大航速,圖乙是本次航行的v﹣t圖象(g取10N/kg)。求:排水量1220t吃水深度4m最大航速12.5m/s最大推進(jìn)功率12500kW(1)護(hù)衛(wèi)艦滿載停泊在港灣時(shí)所受浮力大??;(2)護(hù)衛(wèi)艦加速階段的平均速度;(3)護(hù)衛(wèi)艦以最大航速水平勻速直線航行時(shí)所受阻力的大小?!窘獯稹拷猓海?)由阿基米德原理可得,護(hù)衛(wèi)艦滿載時(shí)受到海水的浮力:F?。紾排=m排g=1220×103kg×10N/kg=1.22×107N;(2)由題意知護(hù)衛(wèi)艦加速航行s=0.96km=960m,由乙圖可知,該艦加速用時(shí)t=120s,則加速階段的平均速度:v=st=960m120s護(hù)衛(wèi)艦水平勻速直線航行時(shí),受到的阻力與牽引力是一對(duì)平衡力,已知P=1.25×107W,v=12.5m/s,所以其所受阻力:f=F=答:(1)護(hù)衛(wèi)艦滿載時(shí)受到的浮力是1.22X107N;(2)加速階段的平均速度為8m/s;(3)護(hù)衛(wèi)艦以最大航速水平勻速直線航行時(shí)所受阻力的大小為1×106N。(2024?東莞市校級(jí)二模)如圖甲所示,一輛總重為1.5×104N的汽車在大小為9.6×103N的牽引力的作用下,勻速?gòu)男逼碌锥伺郎享敹?,用時(shí)24s,斜坡長(zhǎng)200m,高20m。求:(1)汽車停在水平地面時(shí),對(duì)地面的壓強(qiáng)(輪胎與地面總接觸面積為300cm2)。(2)汽車爬坡時(shí)克服自身重力所做的功。(3)汽車爬坡時(shí)的功率。【解答】解:(1)汽車停在水平地面時(shí),對(duì)地面的壓力:F=G=1.5×104N,對(duì)地面的壓強(qiáng):p=FS=(2)汽車爬坡時(shí)克服重力所做的功:W1=Gh=1.5×104N×20m=3×105J;(3)牽引力做的功:W=Fs=9.6×103N×200m=1.92×106J,汽車爬坡時(shí)的功率:P=Wt=答:(1)汽車停在水平地面時(shí),對(duì)地面的壓強(qiáng)是5×105Pa;(2)汽車爬坡時(shí)克服自身重力所做的功是3×105J;(3)汽車爬坡時(shí)的功率是8×104W。(2024?山西模擬)某醫(yī)院實(shí)施了“送藥上門(mén)”的便民服務(wù)。市民只需要登錄醫(yī)院公眾號(hào)線上購(gòu)買,快遞員就會(huì)送藥上門(mén)。如圖所示是快遞員在某次送藥過(guò)程中,電動(dòng)車的速度隨時(shí)間變化的圖象。求解下列問(wèn)題:(g取10N/kg)(1)電動(dòng)車在勻速行駛的過(guò)程中所受阻力恒為200N,此過(guò)程中克服阻力所做的功。(2)快遞員到達(dá)目的地后,站在地面等待顧客來(lái)取藥??爝f員與水平地面的接觸面積約為600cm2,請(qǐng)你估算此時(shí)快遞員對(duì)水平地面的壓強(qiáng)。【解答】解:(1)電動(dòng)車在勻速行駛的過(guò)程中所受阻力恒為200N,勻速行駛是速度v=6m/s,時(shí)間為t=12mins﹣2min=10min=600s;行駛的路程s=vt=6m/s×600s=3600m;此過(guò)程中克服阻力所做的功W=fs=200N×3600m=720000J。(2)快遞員重力大約為600N,對(duì)地面的壓力F=G=600N??爝f員與水平地面的接觸面積約為600cm2=0.06m2,此時(shí)快遞員對(duì)水平地面的壓強(qiáng)p=F答:(1)此過(guò)程中克服阻力所做的功720000J。(2)此時(shí)快遞員對(duì)水平地面的壓強(qiáng)大約為10000Pa。(2024?和靜縣校級(jí)一模)我國(guó)自行研制的水下智能潛航器在世界上具有較高水平。相關(guān)參數(shù)為:體積2m3、質(zhì)量1500kg,最大下潛深度5000m,最大下潛速度10km/h(不考慮海水密度變化,密度ρ取1.0×103kg/m3)。(1)某次執(zhí)行任務(wù),求當(dāng)潛航器下潛到最大深度時(shí)所受到的海水壓強(qiáng)。(2)潛航器任務(wù)完成后,變?yōu)樽灾貢r(shí)靜止漂浮在海面上,求此時(shí)露出海面的體積。(3)當(dāng)潛航器漂浮在海面時(shí),由起重裝置將其勻速豎直吊離海面。起重裝置拉力的功率隨時(shí)間變化的圖象如圖所示,圖中P3=3P1,求t1時(shí)刻起重裝置對(duì)潛航器的拉力(不考慮水的阻力)。【解答】解:(1)當(dāng)潛航器下潛到最大深度時(shí)所受的海水壓強(qiáng)p=ρgh=1.0×103kg/m3×10N/kg×5000m=5×107Pa(2)潛航器任務(wù)完成后,靜止漂浮在海面上,所以潛航器受到的浮力F?。紾=mg=1500kg×10N/kg=15000N由F浮=ρ液gV排可得,排開(kāi)海水的體積V排潛航器露出海面的體積V排(3)由圖象知道,在t3時(shí)刻潛航器離開(kāi)水面,由于潛航器勻速運(yùn)動(dòng),所以此時(shí)起重裝置對(duì)潛航器的拉力等于潛航器的重力,即F3=G=15000N由于起重裝置將潛航器勻速豎直吊離海面,所以速度v保持不變,由P=Fv可得,兩次拉力的功率為P1=F1v,P3=F3v,又P3=3P1即F3v=3F1v,所以F3=3F1,則F1答:(1)當(dāng)潛航器下潛到最大深度時(shí)所受到的海水壓強(qiáng)為5×107Pa;(2)此時(shí)露出海面的體積為0.5m3;(3)t1時(shí)刻起重裝置對(duì)潛航器的拉力為5000N。(2024?南海區(qū)校級(jí)三模)2023年5月,世界智能大會(huì)在天津的成功舉辦,將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)人工智能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。圖甲為某款智能機(jī)器人,質(zhì)量為30kg,底部輪與地面接觸總面積為150cm2,它在某次引領(lǐng)接待工作中沿直線行走的速度隨時(shí)間變化的圖像如圖乙所示。(g取10N/kg)(1)求智能機(jī)器人靜止在水平地面上時(shí),對(duì)地面產(chǎn)生的壓強(qiáng);(2)求智能機(jī)器人在0~10s內(nèi)的平均速度;(3)在0~6s內(nèi),智能機(jī)器人受到的水平阻力為重力的0.05倍,求此段時(shí)間內(nèi)智能機(jī)器人牽引力做功的功率?!窘獯稹拷猓海?)智能機(jī)器人靜止在水平地面上時(shí),對(duì)地面產(chǎn)生的壓力為F=G=mg=30kg×10N/kg=300N對(duì)地面產(chǎn)生的壓強(qiáng)為p=F(2)由圖像可知,0~6s和6~10s機(jī)器人速
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