专题5速度选择器与磁流体发电机解析版.docx

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专题5速度选择器与磁流体发电机解析版

专题五速度选择器与磁流体发电机

基本知识点

1.速度选择器:

(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直,这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器.

(2)带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器时的速度是v=

.(见下图)

2.速度选择器的工作原理

(1)粒子受力特点:

同时受方向相反的电场力和磁场力作用。

(2)粒子匀速通过速度选择器的条件:

电场力和洛伦兹力平衡:

qE=qvB,解得v=

速度大小只有满足v=

的粒子才能做匀速直线运动。

若v<

,电场力大,粒子向电场力方向偏,电场力做正功,动能增加.

若v>

,洛伦兹力大,粒子向磁场力方向偏,电场力做负功,动能减少.

3.磁流体发电机

(1)磁流体发电是一项新兴技术,它可以把内能直接转化为电能.

(2)根据左手定则,如下图中的B板是发电机正极.

(3)磁流体发电机两极板间的距离为d,等粒子体速度为v,磁场磁感应强度为B,则两极板间能达到的最大电势差U=Bdv.

4.磁流体发电机的工作原理

将等离子气体垂直于磁场方向喷入匀强磁场,正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上,产生电势差.设平行金属板A、B的面积为S,相距L,等离子气体的电阻率为ρ,喷入气体速率为v,板间磁场的磁感应强度为B,板外电阻为R,当正、负离子受到的洛伦兹力和静电力大小相等时,匀速通过A、B板间,此时A、B板上聚集的电荷最多,板间电势差最大,大小即为电源的电动势E.

 

沿从S极向N极方向观察,电路如图乙所示,

此时:

q

=Bqv,则电动势E=BLv,电源内阻r=ρ

由闭合电路欧姆定律知,通过R的电流I=

例题分析

一、速度选择器

例1

如图所示为一速度选择器,也称为滤速器的原理图。

K为电子枪,由枪中沿KA方向射出的电子,速率大小不一。

当电子通过方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场后,只有一定速率的电子能沿直线前进,并通过小孔S。

设产生匀强电场的平行板间的电压为300V,间距为5cm,垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0.06T,问:

(1)磁场的指向应该向里还是向外?

(2)速率为多大的电子才能通过小孔S?

(对应训练)在两平行金属板间,有如图所示的互相正交的匀强电场和匀强磁场.α粒子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,恰好能沿直线匀速通过.供下列各小题选择的答案有:

A.不偏转B.向上偏转

C.向下偏转D.向纸内或纸外偏转

(1)若质子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,质子将________

(2)若电子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,电子将________

(3)若质子以大于v0的速度,沿垂直于匀强电场和匀强磁场的方向从两板正中央射入,质子将________

二、磁流体发电机

例2

如图所示,是磁流体发电机的示意图,两极板间的匀强磁场磁感应强度为B=0.5T,极板间距d=20cm,如果要求该发电机的输出电压为U=20V,则离子的速率为多少?

 

(对应训练)如图所示是磁流体发电机原理示意图.A、B两极板间的磁场方向垂直于纸面向里.等离子束从左向右进入板间.下述正确的是(  )

A.A极板电势高于B极板,负载R中电流向上

B.B极板电势高于A极板,负载R中电流向上

C.A极板电势高于B极板,负载R中电流向下

D.B极板电势高于A极板,负载R中电流向下

三、流量计

例3

为监测某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。

该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口。

在垂直于上下表面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场,在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。

污水充满管口从左向右流经该装置时,接在M、N两端间的电压表将显示两极间的电压U。

若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是(  )

A.N端的电势比M端的高

B.若污水中正、负离子数相同,则前后表面的电势差为零

C.电压表的示数U跟a和b都成正比,跟c无关

D.电压表的示数U跟污水的流量Q成正比

(对应训练)为监测某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端装了如图所示的流量计.该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为A,B,C,左右两端开口.在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场,在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极.污水充满管口从左向右流经该装置时,电压表将显示两个电极间的电压U.若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是(  )

A.前表面比后表面电势高

B.前表面比后表面电势低

C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大

D.污水流量Q与U成正比,与A,B无关

专题训练

1.如右图为一“滤速器”装置的示意图.a、b为水平放置的平行金属板,一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间.为了选取具有某种特定速率的电子,可在a、b间加上电压,并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场,使所选电子仍能够沿水平直线OO′运动,由O′射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是(  )

A.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向里

B.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向里

C.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向外

D.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向外

2.长方体金属块放在匀强磁场中,有电流通过金属块,如图所示,则下面说法正确的是(  )

A.金属块上下表面电势相等

B.金属块上表面电势高于下表面电势

C.金属块上表面电势低于下表面电势

D.无法比较两表面的电势高低

3.如图所示,铜质导电板置于匀强磁场中,通电时铜板中电流方向向下,由于磁场的作用,则(  )

A.板左侧聚集较多电子,使B点电势高于A点

B.板左侧聚集较多电子,使A点电势高于B点

C.板右侧聚集较多电子,使A点电势高于B点

D.板右侧聚集较多电子,使B点电势高于A点

4.如图所示的正交电场和磁场中,有一粒子沿垂直于电场和磁场的方向飞入其中,并沿直线运动(不考虑重力作用),则此粒子(  )

A.一定带正电

B.一定带负电

C.可能带正电或负电,也可能不带电D.一定不带电

5.如图所示,带电平行板中匀强电场方向竖直向上,匀强磁场方向水平(垂直纸面向里),某带电小球从光滑绝缘轨道上的a点自由滑下,经过轨道端点P进入板间后恰好沿水平方向做直线运动,现使球从较低的b点开始滑下,经P点进入板间,则球在板间运动过程中,下列说法正确的是(  )

A.其动能将会增大

B.其电势能将会增大

C.小球所受的磁场力将会增大

D.小球所受的电场力将会增大

6.如图所示,一电子束垂直于电场线与磁感应线方向入射后偏向A极板,为了使电子束沿射入方向做直线运动,可采用的方法是(  )

A.将变阻器滑动头P向右滑动

B.将变阻器滑动头P向左滑动

C.将极板间距离适当减小

D.将极板间距离适当增大

7.如图是磁流体发电机的原理示意图,金属板M、N正对着平行放置,且板面垂直于纸面,在两板之间接有电阻R。

在极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场。

当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入极板时,下列说法中正确的是(  )

A.N板的电势高于M板的电势B.M板的电势等于N板的电势

C.R中有由b向a方向的电流D.R中有由a向b方向的电流

8.截面为矩形的载流金属导线置于磁场中,导线中电流方向向右,如图所示,将出现下列哪种情况(  )

A.在b表面聚集正电荷,而a表面聚集负电荷

B.在a表面聚集正电荷,而b表面聚集负电荷

C.开始通电时,电子做定向移动并向b偏转

D.两个表面电势不同,a表面电势较高

9.如图所示为磁流体发电机发电原理示意图,将一束等离子体(高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的微粒)射入磁场,磁场中有两块金属板P、Q,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压.两金属板的板长为L1,板间距离为L2,匀强磁场的磁感应强度为B且平行于两金属板,等离子体充满两板间的空间.等离子体的初速度v与磁场方向垂直,当发电机稳定发电时,P板和Q板间电势差UPQ为(  )

A.vBL1B.vBL2C.

D.

10.如图所示,连接两平行金属板的导线的一部分CD与另一回路的一段导线GH平行且均在纸面内,金属板置于磁场中,磁场方向垂直于纸面向里,当一束等离子体射入两金属板之间时,CD段导线受到力F的作用.则(  )

A.若等离子体从右方射入,F向左B.若等离子体从右方射入,F向右

C.若等离子体从左方射入,F向左D.若等离子体从左方射入,F向右

11.如图所示,平行板电容器的两板与电源相连,板间同时有电场和垂直纸面向里的匀强磁场B,一个带电荷量为+q的粒子以v0为初速度从两板中间沿垂直电磁场方向进入,穿出时粒子的动能减小了,若想使这个带电粒子以v0沿原方向匀速直线运动穿过电磁场,可采用的办法是(  )

A.减小平行板的正对面积B.增大电源电压

C.减小磁感应强度BD.增大磁感应强度B

12.将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和带负电的微粒)沿如图所示方向射入磁场,下列说法正确的是(  )

A.正电荷向A板偏转

B.负电荷向A板偏转

C.洛伦兹力对正电荷做正功

D.洛伦兹力对负电荷做正功

13.一种新型发电机叫磁流体发电机,如图所示表示它的发电原理:

将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的粒子,而从整体来说呈中性)沿图中所示方向喷射入磁场,磁场中有两块金属板A、B,这时金属板上就聚集了电荷。

在磁极配置如图中所示的情况下,下列说法中正确的是(  )

A.A板带正电

B.有电流从b经用电器流向a

C.金属板A、B间的电场方向向下

D.等离子体发生偏转的原因是离子所受洛伦兹力小于所受电场力

14.如图所示,电路中有一段金属导体,它的横截面是宽为a、高为b的长方形,放在沿y轴正方向的匀强磁场中,导体中通有沿x轴正方向、大小为I的电流,已知金属导体中单位体积的自由电子数为n,电子电荷量为e,金属导电过程中,自由电子做定向移动可视为匀速运动,测出金属导体前后两个侧面间的电势差的大小为U,则下列说法正确的是(  )

A.前侧面电势较高B.后侧面电势较高

C.磁感应强度大小为

D.磁感应强度的大小

15.如图所示是粒子速度选择器的原理图,如果粒子所具有的速率v=

,(不计粒子的重力)那么(  )

A.带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区,才能沿直线通过

B.带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区,才能沿直线通过

C.不论粒子电性如何,沿ab方向从左侧进入场区,都能沿直线通过

D.不论粒子电性如何,沿ba方向从右侧进入场区,都能沿直线通过

16.如图所示为一速度选择器,也称为滤速器的原理图.K为电子枪,由枪中沿KA方向射出的电子,速率大小不一.当电子通过方向互相垂直的均匀电场和磁场后,只有一定速率的电子能沿直线前进,并通过小孔S.设产生匀强电场的平行板间的电压为300V,间距为5cm,垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0.06T,问:

(1)磁场的方向应该垂直纸面向里还是向外?

(2)速度为多大的电子才能通过小孔S?

 

17.一种测量血管中血流速度仪器的原理如图所示,在动脉血管左右两侧加有匀强磁场,上下两侧安装电极并连接电压表,设血管直径是2.0mm,磁场的磁感应强度为0.08T,电压表测出的电压为0.10mV,则血流速度大小为多少?

(取两位有效数字)

18.如图所示是电磁流量计的示意图,在非磁性材料做成的圆管道外加一匀强磁场,当管中的导电液体流过磁场区域时,测出管壁上a、b两点间的电势差U,就可以知道管中液体的流量Q——单位时间内流过液体的体积(m3/s)。

已知圆管的直径为D,磁感应强度为B,试推导出Q与U的关系式。

 

19.目前世界上正在研究新型发电机——磁流体发电机,它的原理图如图所示,设想在相距为d的两平行金属板间加磁感应强度为B的匀强磁场,两板通过开关和灯泡相连.将气体加热电离后,由于正负离子一样多,且带电荷量均为q,因而称为等离子体,将其以速度v喷入甲、乙两板之间,这时甲、乙两板就会聚集电荷,产生电压,这就是磁流体发电机的原理,它可以直接把内能转化为电能,试问:

(1)图中哪个极板是发电机的正极?

(2)发电机的电动势为多大?

(3)设喷入两极板间的离子流每立方米中有n个负电荷,离子流的横截面积为S,则发电机的最大功率为多大?

专题五速度选择器与磁流体发电机

基本知识点

1.速度选择器:

(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直,这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器.

(2)带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器时的速度是v=

.(见下图)

2.速度选择器的工作原理

(1)粒子受力特点:

同时受方向相反的电场力和磁场力作用。

(2)粒子匀速通过速度选择器的条件:

电场力和洛伦兹力平衡:

qE=qvB,解得v=

速度大小只有满足v=

的粒子才能做匀速直线运动。

若v<

,电场力大,粒子向电场力方向偏,电场力做正功,动能增加.

若v>

,洛伦兹力大,粒子向磁场力方向偏,电场力做负功,动能减少.

3.磁流体发电机

(1)磁流体发电是一项新兴技术,它可以把内能直接转化为电能.

(2)根据左手定则,如下图中的B板是发电机正极.

(3)磁流体发电机两极板间的距离为d,等粒子体速度为v,磁场磁感应强度为B,则两极板间能达到的最大电势差U=Bdv.

4.磁流体发电机的工作原理

将等离子气体垂直于磁场方向喷入匀强磁场,正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上,产生电势差.设平行金属板A、B的面积为S,相距L,等离子气体的电阻率为ρ,喷入气体速率为v,板间磁场的磁感应强度为B,板外电阻为R,当正、负离子受到的洛伦兹力和静电力大小相等时,匀速通过A、B板间,此时A、B板上聚集的电荷最多,板间电势差最大,大小即为电源的电动势E.

 

沿从S极向N极方向观察,电路如图乙所示,

此时:

q

=Bqv,则电动势E=BLv,电源内阻r=ρ

由闭合电路欧姆定律知,通过R的电流I=

例题分析

一、速度选择器

例1

如图所示为一速度选择器,也称为滤速器的原理图。

K为电子枪,由枪中沿KA方向射出的电子,速率大小不一。

当电子通过方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场后,只有一定速率的电子能沿直线前进,并通过小孔S。

设产生匀强电场的平行板间的电压为300V,间距为5cm,垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0.06T,问:

(1)磁场的指向应该向里还是向外?

(2)速率为多大的电子才能通过小孔S?

(对应训练)在两平行金属板间,有如图所示的互相正交的匀强电场和匀强磁场.α粒子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,恰好能沿直线匀速通过.供下列各小题选择的答案有:

A.不偏转B.向上偏转

C.向下偏转D.向纸内或纸外偏转

(1)若质子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,质子将________

(2)若电子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,电子将________

(3)若质子以大于v0的速度,沿垂直于匀强电场和匀强磁场的方向从两板正中央射入,质子将________

二、磁流体发电机

例2

如图所示,是磁流体发电机的示意图,两极板间的匀强磁场磁感应强度为B=0.5T,极板间距d=20cm,如果要求该发电机的输出电压为U=20V,则离子的速率为多少?

 

(对应训练)如图所示是磁流体发电机原理示意图.A、B两极板间的磁场方向垂直于纸面向里.等离子束从左向右进入板间.下述正确的是(  )

A.A极板电势高于B极板,负载R中电流向上

B.B极板电势高于A极板,负载R中电流向上

C.A极板电势高于B极板,负载R中电流向下

D.B极板电势高于A极板,负载R中电流向下

三、流量计

例3

为监测某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。

该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口。

在垂直于上下表面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场,在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。

污水充满管口从左向右流经该装置时,接在M、N两端间的电压表将显示两极间的电压U。

若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是(  )

A.N端的电势比M端的高

B.若污水中正、负离子数相同,则前后表面的电势差为零

C.电压表的示数U跟a和b都成正比,跟c无关

D.电压表的示数U跟污水的流量Q成正比

(对应训练)为监测某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端装了如图所示的流量计.该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为A,B,C,左右两端开口.在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场,在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极.污水充满管口从左向右流经该装置时,电压表将显示两个电极间的电压U.若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是(  )

A.前表面比后表面电势高

B.前表面比后表面电势低

C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大

D.污水流量Q与U成正比,与A,B无关

专题训练

1.如右图为一“滤速器”装置的示意图.a、b为水平放置的平行金属板,一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间.为了选取具有某种特定速率的电子,可在a、b间加上电压,并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场,使所选电子仍能够沿水平直线OO′运动,由O′射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是(  )

A.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向里

B.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向里

C.使a板电势高于b板,磁场方向垂直纸面向外

D.使a板电势低于b板,磁场方向垂直纸面向外

2.长方体金属块放在匀强磁场中,有电流通过金属块,如图所示,则下面说法正确的是(  )

A.金属块上下表面电势相等

B.金属块上表面电势高于下表面电势

C.金属块上表面电势低于下表面电势

D.无法比较两表面的电势高低

3.如图所示,铜质导电板置于匀强磁场中,通电时铜板中电流方向向下,由于磁场的作用,则(  )

A.板左侧聚集较多电子,使B点电势高于A点

B.板左侧聚集较多电子,使A点电势高于B点

C.板右侧聚集较多电子,使A点电势高于B点

D.板右侧聚集较多电子,使B点电势高于A点

4.如图所示的正交电场和磁场中,有一粒子沿垂直于电场和磁场的方向飞入其中,并沿直线运动(不考虑重力作用),则此粒子(  )

A.一定带正电

B.一定带负电

C.可能带正电或负电,也可能不带电D.一定不带电

5.如图所示,带电平行板中匀强电场方向竖直向上,匀强磁场方向水平(垂直纸面向里),某带电小球从光滑绝缘轨道上的a点自由滑下,经过轨道端点P进入板间后恰好沿水平方向做直线运动,现使球从较低的b点开始滑下,经P点进入板间,则球在板间运动过程中,下列说法正确的是(  )

A.其动能将会增大

B.其电势能将会增大

C.小球所受的磁场力将会增大

D.小球所受的电场力将会增大

6.如图所示,一电子束垂直于电场线与磁感应线方向入射后偏向A极板,为了使电子束沿射入方向做直线运动,可采用的方法是(  )

A.将变阻器滑动头P向右滑动

B.将变阻器滑动头P向左滑动

C.将极板间距离适当减小

D.将极板间距离适当增大

7.如图是磁流体发电机的原理示意图,金属板M、N正对着平行放置,且板面垂直于纸面,在两板之间接有电阻R。

在极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场。

当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入极板时,下列说法中正确的是(  )

A.N板的电势高于M板的电势B.M板的电势等于N板的电势

C.R中有由b向a方向的电流D.R中有由a向b方向的电流

8.截面为矩形的载流金属导线置于磁场中,导线中电流方向向右,如图所示,将出现下列哪种情况(  )

A.在b表面聚集正电荷,而a表面聚集负电荷

B.在a表面聚集正电荷,而b表面聚集负电荷

C.开始通电时,电子做定向移动并向b偏转

D.两个表面电势不同,a表面电势较高

9.如图所示为磁流体发电机发电原理示意图,将一束等离子体(高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的微粒)射入磁场,磁场中有两块金属板P、Q,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压.两金属板的板长为L1,板间距离为L2,匀强磁场的磁感应强度为B且平行于两金属板,等离子体充满两板间的空间.等离子体的初速度v与磁场方向垂直,当发电机稳定发电时,P板和Q板间电势差UPQ为(  )

A.vBL1B.vBL2C.

D.

10.如图所示,连接两平行金属板的导线的一部分CD与另一回路的一段导线GH平行且均在纸面内,金属板置于磁场中,磁场方向垂直于纸面向里,当一束等离子体射入两金属板之间时,CD段导线受到力F的作用.则(  )

A.若等离子体从右方射入,F向左B.若等离子体从右方射入,F向右

C.若等离子体从左方射入,F向左D.若等离子体从左方射入,F向右

11.如图所示,平行板电容器的两板与电源相连,板间同时有电场和垂直纸面向里的匀强磁场B,一个带电荷量为+q的粒子以v0为初速度从两板中间沿垂直电磁场方向进入,穿出时粒子的动能减小了,若想使这个带电粒子以v0沿原方向匀速直线运动穿过电磁场,可采用的办法是(  )

A.减小平行板的正对面积B.增大电源电压

C.减小磁感应强度BD.增大磁感应强度B

12.将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和带负电的微粒)沿如图所示方向射入磁场,下列说法正确的是(  )

A.正电荷向A板偏转

B.负电荷向A板偏转

C.洛伦兹力对正电荷做正功

D.洛伦兹力对负电荷做正功

13.一种新型发电机叫磁流体发电机,如图所示表示它的发电原理:

将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和负电的粒子,而从整体来说呈中性)沿图中所示方向喷射入磁场,磁场中有两块金属板A、B,这时金属板上就聚集了电荷。

在磁极配置如图中所示的情况下,下列说法中正确的是(  )

A.A板带正电

B.有电流从b经用电器流向a

C.金属板A、B间的电场方向向下

D.等离子体发生偏转的原因是离子所受洛伦兹力小于所受电场力

14.如图所示,电路中有一段金属导体,它的横截面是宽为a、高为b的长方形,放在沿y轴正方向的匀强磁场中,导体中通有沿x轴正方向、大小为I的电流,已知金属导体中单位体积的自由电子数为n,电子电荷量为e,金属导电过程中,自由电子做定向移动可视为匀速运动,测出金属导体前后两个侧面间的电势差的大小为U,则下列说法正确的是(  )

A.前侧面电势较高B.后侧面电势较高

C.磁感应强度大小为

D.磁感应强度的大小

15.如图所示是粒子速度选择器的原理图,如果粒子所具有的速率v=

,(不计粒子的重力)那么(  )

A.带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区,才能沿直线通过

B.带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区,才能沿

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