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大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶 发表于 2015-1-7 15:07:00

大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?

 

材料:两个相同型号的气球、一个带开关的PVC管(直通开关)、打气筒

操作:

1.    将两气球充气,一个大一个小

2.    打开开关

 

问题:打开开关后,两气球的大小会发生什么样的变化?

 

可能的回答:

A.  大气球变小,小气球变大

B.  大气球变大,小气球变小

C.  两个气球大小不变

D.  其它

 

你的回答会是哪个?

 

A的伙伴,是否觉得大气球里的气比较多,连通后需要跑到小气球里,这样才平衡?这应该说是大多数人的想法。

B的伙伴,只能说你的世界我不懂。

C的伙伴,你确定不是凭感觉?

D的伙伴,你动下脑子可以么?

 

下面我们通过一个动画来看看它们会是怎么变化的。



 

看了这,之前的问题似乎就得到回答了。那问题又来了,

 

1.  为什么会这样呢?

2.  那真的就是这样了么——大气球变大小气球变小?

 

要解决以上两问题,我们就得思考在打开开关使两气球连通后,到底发生了什么?气球大小会发生变化,即体积发生了变化,那也就是说内部的气体体积发生了变化,进而说明两气球内的气体有发生移动。那是什么使它们发生移动呢?

昨天我们学习了DisLab的使用,我们就用它来测试了气球在充放气过程中,内部气压的变化。为了得到更准确的数据,我们做了一个充放气装置。


实验仪器

 

PS:后来才发现原来这个装置一直我要做的一个充气和抽气(抽真空)装置。每次最大注入的气体约70ml

通过实验测量得到数据如下:


 


1充气过程(压强-时间)

1得到的是时间与压强的关系图,因为我们是让仪器按一定的采集频率记录数据所以得到的横坐标是时间,其实它对应的是气球的体积,越往右则代表气球体积越大。纵坐标指的是相对压强(现场的大气压是98.7kPa)。

 


2放气过程(压强-时间)

2得到的是气球放气过程的内部压强变化。此实验过程出了点小问题,有一小段时间气压传感器脱离造成压强回到相对零点,如上图中间部位。

 

通过以上两图不知能否看出气球在充气、放气过程中的特点?

1.  充气过程与放气过程基本上是一个逆过程(图像关于Y轴对称)。

2.  充气时,一开始内部气压是随着进气量的增大而增大的,达到一个值后就逐渐减小,然后在一定范围内基本维持不变。

还需要说明的是,图1充气过程中气球是没有爆炸的。下面再展示的是一个气球从充气开始直到爆炸整个过程的内部气压变化。


3完整充气过程

此实验过程使用的气球,在注射器注入约6次(每次约70ml)的时候,达到了第一个转折点3.6 kPa,继续注入,气球体积虽然增大但气压反而减小,在第43次时降到第二个转折点1.8 kPa,在达到第三个转折点之前基本维持不变(至此即图1所测量的数据)。第89次(第三个转折点)过后,基本上气压开始持续增加,在第224次时达到了第一个转折点时的压强3.6 kPa,最终在约5.1 kPa时气球爆炸。还需指出的是,气球达到某压强时基本上都维持一定的体积。

通过以上几图及简单的分析,你还认为大小气球连通后就真的只能是大的变大,小的变小么?期待你的评论。

 

附:


谈笑间,气球将灰飞烟灭


气球残骸,很有规律的说!由此可见这个气球质量很好,质地均匀

NO.1 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
兴华人(游客)发表评论于2015-1-7 15:41:15
兴华人(游客)武装到牙齿就是厉害。
NO.2 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
阳阳得意(游客)发表评论于2015-1-7 15:43:11
阳阳得意(游客)可重复性 可测量性 经济性 启发性 是否契合性 不该确定 离“科学”不远了
NO.3 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
陈铿元发表评论于2015-1-7 15:54:42
陈铿元我又仔细观察了一遍,理论上有很多很多个点可以实现气压相等,这时候似乎两个气球怎么变化都由你来控制了。但是,似乎忽略了曲线的斜率,在图3上分析,只有在 1.8~2.2 Kpa,这个时候曲线的斜率才比较靠近,也就是这个气压段的膨胀系数比较相似。
以下为余思溶的回复:

每一个气压值都对应了一定范围的体积
NO.4 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
我不是陈铿元(游客)发表评论于2015-1-7 16:48:56
我不是陈铿元(游客)关于气压的测量真实性,有个叫做伯努利的人真讨厌!图表好像缺少了点单位
以下为余思溶的回复:


认真看下图,有单位的。以上测量的实验,我们考虑到气流的影响。所以认真看图,尤其是图1和图2是使用电脑自动记录,可以发觉有锯齿像心电图一样,那些部分是打气时仪器采集到的,由于采集频率很高,所以也被捕捉到了。所以我们看图1和图2时,主要能用到的数据是水平部分。



而图3是最准确的,里面是手动记录,都是在稳定的时候得到的数据。

NO.5 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶发表评论于2015-1-7 16:49:09
余思溶还可以研究下 气球爆炸的特点
NO.6 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
气球风轮(游客)发表评论于2015-1-7 17:44:10
气球风轮(游客)文中提到的“相对压强”是指比大气压大的数值么?
以下为余思溶的回复:
从仪器的角度来说,是的。
NO.7 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-7 17:44:14
梁冬冬(游客)实验做得很好!有些问题望能共同思考。
1、“大小气球,大的变大,小的变小”问题的由来?
2、在等温条件下,气球内的气压和什么有关?
3、气球爆炸的条件是什么?
4、在图3中,气压随充气量的变化曲线我看好象可分为三段来研究(不一定正确,供参考),但横坐标是充气量,是否还是气球的体积?
5、用肥皂泡代替气球,从物理的角度看有什么不同?
以下为余思溶的回复:


回答问题4,图3的横坐标应该只能说是 充气量(通过注射器打进去的气体体积),气球的体积是小于充气量的体积。



梁老师提的这个问题非常好,不然很多人会误以为打进去的气体就是气球的体积了。

以下为余思溶的回复:
回答问题1,这个标题的设想是,很多人在没见过这个实验的时候,更多的会认为大的会变小,而小的会变大,但之前见过这实验的都会说出小的变小,大的变大,但他不一定知道为什么,更多只是停留在现象上。所以这么问,是想让他们重新再次认识这个现象,如文中的最后一问。
以下为余思溶的回复:


第4点中提到的分为三段来研究,指的是哪三段?好像我可以把它分四段

NO.8 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
我不是陈铿元(游客)发表评论于2015-1-7 18:14:01
我不是陈铿元(游客)x轴的单位是秒还是毫秒呢?
以下为余思溶的回复:


秒。

NO.9 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
我不是韦显交(游客)发表评论于2015-1-7 22:01:38
我不是韦显交(游客)谈笑间,气球将灰飞烟灭,吓了一跳
NO.10 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-8 10:42:27
梁冬冬(游客)确实是分四段来分析较好!
第一段:0,0——6,3.6
第二段:6,3.6——43,1.8
第一段:43,1.8——89,1.8
第一段:89,1.8——385,5.1
不知我的分段与你的考虑是否一样?

另外:问题1(问题的由来?)考虑的层面浅了些。该问题的由来应该是为验证某一科学(物理)规律而设计的改进型实验。建议查阅一下。
知道了问题的由来,才能对实验现象进行科学有效的分析,也从而能更好地把该实验应用于科学普及和物理教育当中。
以下为余思溶的回复:


是的,分段方式是一样的。



确实对于问题1的考虑浅了些。当时只考虑到大家不做任何分析只是停留在表现看到的现象(见的的就说大的变大,而没见过的更多的是说大的变小)而提出这样的问题。

NO.11 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-8 10:47:24
梁冬冬(游客)笔误更正:后两个第一段应该分别是第三段,第四段
NO.12 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
XH(游客)发表评论于2015-1-8 14:10:31
XH(游客)PV=nRT,当气球的内部温度一定的情况下,充入的气体越多, 即n越大,P一定时,V是增大的。这样子正好和图3中的第二阶段【(43,1.8)到(89,1.8)】一致
NO.13 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
YG(游客)发表评论于2015-1-8 16:25:22
YG(游客)气球充气的内部压强为何是这样子的?
NO.14 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-8 16:34:28
梁冬冬(游客)回复XH“PV=nRT,当气球的内部温度一定的情况下,充入的气体越多, 即n越大,P一定时,V是增大的。这样子正好和图3中的第二阶段【(43,1.8)到(89,1.8)】一致”。在这一阶段中,气球内气体的P一定吗?为什么?
NO.15 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
09物教(游客)发表评论于2015-1-9 9:13:59
09物教(游客)从图3来看,第二阶段过程中气球内部压强相对还是一定的。至于为什么,我想是不是和气球本身的材质有关?
以下引用梁冬冬(游客)在2015-1-8 16:34:28发表的评论:
回复XH“PV=nRT,当气球的内部温度一定的情况下,充入的气体越多, 即n越大,P一定时,V是增大的。这样子正好和图3中的第二阶段【(43,1.8)到(89,1.8)】一致”。在这一阶段中,气球内气体的P一定吗?为什么?

NO.16 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-9 9:56:17
梁冬冬(游客)研究第二阶段的物理现象,首先得明确:
1、研究对象选谁?
2、研究对象经历的物理情形怎样?
3、研究对象的物理情形应该遵守什么物理规律?
然后再开展研究。
NO.17 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
09物教(游客)发表评论于2015-1-9 10:37:06
09物教(游客)1.对象有气球,也有气球内的气体
2.气球在第二阶段经历了体积慢慢增大(到底有没有保持不变的情况,上述实验中并没有记录和说明);而气球内的气体,它的量是一直在增加,但压强基本上是稳定的。
3.气球本身遵守的可能是结构上的一些规律,而气体则需遵守PV=nRT的规律
不知这样分析是否合适,望指教
以下引用梁冬冬(游客)在2015-1-9 9:56:17发表的评论:
研究第二阶段的物理现象,首先得明确:
1、研究对象选谁?
2、研究对象经历的物理情形怎样?
3、研究对象的物理情形应该遵守什么物理规律?
然后再开展研究。

NO.18 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-9 18:01:07
梁冬冬(游客)欲研究第二阶段气体压强的变化情况可选
1、气体为研究对象,根据PV=nRT,分别分析、测量V、n、T的情况,从而对P的情况进行分析说明;
2、气球为研究对象,分别分析、测量气球的体积及其对球内气体的压力情况,从而对P的情况进行分析说明。在此阶段,气球材质可视为理想弹性材料,即弹力与其形变(面积变化)大小成正比,弹力的方向指向球面收缩的方向。
选择不同的研究对象,分析的情况不一样。但不论怎样分析,明确研究对象都是排在第一位的。
NO.19 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
09物教(游客)发表评论于2015-1-10 16:14:14
09物教(游客)
以下引用梁冬冬(游客)在2015-1-9 18:01:07发表的评论:
欲研究第二阶段气体压强的变化情况可选
1、气体为研究对象,根据PV=nRT,分别分析、测量V、n、T的情况,从而对P的情况进行分析说明;
2、气球为研究对象,分别分析、测量气球的体积及其对球内气体的压力情况,从而对P的情况进行分析说明。在此阶段,气球材质可视为理想弹性材料,即弹力与其形变(面积变化)大小成正比,弹力的方向指向球面收缩的方向。
选择不同的研究对象,分析的情况不一样。但不论怎样分析,明确研究对象都是排在第一位的。

看完梁老师的建议,我感觉接下来的问题就是实验测量的问题了,有些还是技术上的问题。
关于第2点,气球可否视为理想弹性材料呢?
NO.20 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶发表评论于2015-1-10 16:17:12
余思溶感谢各位的参与,这个素材可以出题目,也可以开发成一个案例,还可以写成论文了。
NO.21 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
小学科学(游客)发表评论于2015-1-11 8:53:46
小学科学(游客)这个放在小学演示的话,会是怎样的效果呢?
以下为余思溶的回复:
关于这个问题,之前我们也有部分人讨论过,就是同样的资源素材,放在不同年龄段所应考虑的问题。我个人觉得如果处理不当,不仅浪费资源还浪费表情
NO.22 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-11 10:29:25
梁冬冬(游客)其实实验测量的问题余思溶同学已做得很好了,后续的工作就是“为什么是这样的呢?”的问题,即对该现象进行科学分析、解释的问题。
NO.23 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶发表评论于2015-1-12 11:01:34
余思溶如何进行科学分析和解释,梁老师已经提供了很好的方法了。在物理中,似乎都可以遵循同样的分析原则。
以下引用梁冬冬(游客)在2015-1-11 10:29:25发表的评论:
其实实验测量的问题余思溶同学已做得很好了,后续的工作就是“为什么是这样的呢?”的问题,即对该现象进行科学分析、解释的问题。

NO.24 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
为什么(游客)发表评论于2015-1-14 12:07:40
为什么(游客)
以下引用余思溶在2015-1-12 11:01:34发表的评论:
如何进行科学分析和解释,梁老师已经提供了很好的方法了。在物理中,似乎都可以遵循同样的分析原则。
以下引用梁冬冬(游客)在2015-1-11 10:29:25发表的评论:
其实实验测量的问题余思溶同学已做得很好了,后续的工作就是“为什么是这样的呢?”的问题,即对该现象进行科学分析、解释的问题。


那分析原则是什么呢?感觉上高中的时候我们物理老师也讲到一些分析的步骤,不知道这里指的分析原则是什么
NO.25 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-14 16:04:06
梁冬冬(游客)分析的原则:
1、研究对象选谁?
2、研究对象经历的物理情形怎样?
3、研究对象在经历该物理情形时应该遵守什么物理规律?
4、根据相应的物理规律进行逻辑推算,得出结论。
仅供参考!
NO.26 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
韦显交(游客)发表评论于2015-1-14 17:44:01
韦显交(游客)梁老师,去年您给我们上课是这样讲的,更通熟易懂,哈哈,让学霸炫耀一下:

①明确研究对象

②明确参考系(建立坐标系)

③研究对象进行物理情况分析

④根据约束、边界条件列方程

⑤求解方程

⑥物理检验

……
有博客为证:http://blog.risechina.org/u/2652/archives/2013/19138.html
NO.27 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶发表评论于2015-1-14 21:57:25
余思溶不愧是梁老师的得意门生
以下引用韦显交(游客)在2015-1-14 17:44:01发表的评论:
梁老师,去年您给我们上课是这样讲的,更通熟易懂,哈哈,让学霸炫耀一下:

①明确研究对象

②明确参考系(建立坐标系)

③研究对象进行物理情况分析

④根据约束、边界条件列方程

⑤求解方程

⑥物理检验

……
有博客为证:http://blog.risechina.org/u/2652/archives/2013/19138.html

NO.28 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶(游客)发表评论于2015-1-15 14:13:14
余思溶(游客)要对该现象进行科学分析和解释,还需要再做几组实验。尤其是这个n的量该如何确立,要怎么处理这个量呢?
以下引用梁冬冬(游客)在2015-1-11 10:29:25发表的评论:
其实实验测量的问题余思溶同学已做得很好了,后续的工作就是“为什么是这样的呢?”的问题,即对该现象进行科学分析、解释的问题。

NO.29 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
刨根问底(游客)发表评论于2015-1-15 21:17:46
刨根问底(游客)如第5问,用肥皂泡代替气球会是怎样?
我想气球内气体的压强是由两部分组成,外面的大气压和气球膨胀后自身产生的压强。而肥皂泡内气体应该也是一样的,肥皂泡是极薄的球膜,球膜有表面张力,它产生一个压强再加上大气压强。
以下引用梁冬冬(游客)在2015-1-7 17:44:14发表的评论:
实验做得很好!有些问题望能共同思考。
1、“大小气球,大的变大,小的变小”问题的由来?
2、在等温条件下,气球内的气压和什么有关?
3、气球爆炸的条件是什么?
4、在图3中,气压随充气量的变化曲线我看好象可分为三段来研究(不一定正确,供参考),但横坐标是充气量,是否还是气球的体积?
5、用肥皂泡代替气球,从物理的角度看有什么不同?
以下为余思溶的回复:



回答问题4,图3的横坐标应该只能说是 充气量(通过注射器打进去的气体体积),气球的体积是小于充气量的体积。




梁老师提的这个问题非常好,不然很多人会误以为打进去的气体就是气球的体积了。


以下为余思溶的回复:
回答问题1,这个标题的设想是,很多人在没见过这个实验的时候,更多的会认为大的会变小,而小的会变大,但之前见过这实验的都会说出小的变小,大的变大,但他不一定知道为什么,更多只是停留在现象上。所以这么问,是想让他们重新再次认识这个现象,如文中的最后一问。

以下为余思溶的回复:



第4点中提到的分为三段来研究,指的是哪三段?好像我可以把它分四段


NO.30 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
梁冬冬(游客)发表评论于2015-1-16 9:33:02
梁冬冬(游客)“如第5问,用肥皂泡代替气球会是怎样?
我想气球内气体的压强是由两部分组成,外面的大气压和气球膨胀后自身产生的压强。而肥皂泡内气体应该也是一样的,肥皂泡是极薄的球膜,球膜有表面张力,它产生一个压强再加上大气压强。”
正确。
肥皂泡是液体,其表面有表面张力(其大小和方向遵循液体表面张力规律)。但气球表面是弹性固体,在一定范围内,弹力与其形变(面积变化)大小成正比,弹力的方向指向球面收缩的方向。两者的物理规律有所不同,另外一点是气球表面的弹力是在气球大到一定程度时(球膜发生形变时)才出现,而肥皂泡表面的张力不论肥皂泡的大小均存在。
建议查阅《热学》课本“弯曲液面下的压强”部分内容。
NO.31 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
XX(游客)发表评论于2015-1-21 5:20:20
XX(游客)1.这个实验现象很有意思。不知道学生,小朋友们对这个现象的解释是什么?
2.这个实验在现实中的应用有哪些?历史上对这个问题有过相关的科学实验吗?
3.可以做个气球系列。我知道一个是在可乐(任何苏打饮料)里加“跳跳糖”,产生的气体可以用气球来收集。
NO.32 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
莫而本(游客)发表评论于2015-1-23 21:32:05
莫而本(游客)1.过年回家可以试一下小朋友对这个现象的解释。等开学了在小学里调查下。到时我们再看看大家收集到的信息。
2.楼上提了个很好的问题,如果能把这个现象应用到生活中就更好了,可能已经应用到了。
3.可乐出来的糖是CO2,为什么要用气球来收集呢?不明
以下引用XX(游客)在2015-1-21 5:20:20发表的评论:
1.这个实验现象很有意思。不知道学生,小朋友们对这个现象的解释是什么?
2.这个实验在现实中的应用有哪些?历史上对这个问题有过相关的科学实验吗?
3.可以做个气球系列。我知道一个是在可乐(任何苏打饮料)里加“跳跳糖”,产生的气体可以用气球来收集。

NO.33 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
仁文(游客)发表评论于2015-2-15 14:08:54
仁文(游客)钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释--叶李根的博客——高中物理二班#32911
http://blog.risechina.org/u/2305/archives/2011/15366.html#32911
NO.34 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
我在远方(游客)发表评论于2015-3-19 18:09:39
我在远方(游客)是不是压强大的会往压强小的流动?就像水自然是从高往低处流?
NO.35 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
jenny(游客)发表评论于2015-6-21 11:34:17
jenny(游客)但是这个实验 我自己做过 在小气球再大一点的时候 是大气球气往小气球跑 而 小气球比较小的时候 是这个结果 所以你做的这个实验 并没有说 在什么范围内怎样变化 而且有的时候 两个是不变的
以下为余思溶的回复:


很高兴你用实验证明了我的实验数据。



在文中最后一句话我已经说明

过以上几图及简单的分析,你还认为大小气球连通后就真的只能是大的变大,小的变小么?




所以我想知道你的问题是什么?

NO.36 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
jenny(游客)发表评论于2015-6-21 11:34:17
jenny(游客)但是这个实验 我自己做过 在小气球再大一点的时候 是大气球气往小气球跑 而 小气球比较小的时候 是这个结果 所以你做的这个实验 并没有说 在什么范围内怎样变化 而且有的时候 两个是不变的
以下为余思溶的回复:


文中的动画演示的是大家常常用来演示时出现的情况:“大气球变大,小气球变小”。而实际上,通过文中的实验测量数据可以知道,我们可以做到:大的变大或者变小或者不变。

NO.37 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶(游客)发表评论于2015-6-21 21:34:37
余思溶(游客)如果你真把实验做到这个地步,正如标题所说的。“大的变大,小的变小,真的吗?”
以下引用jenny(游客)在2015-6-21 11:34:17发表的评论:
但是这个实验 我自己做过 在小气球再大一点的时候 是大气球气往小气球跑 而 小气球比较小的时候 是这个结果 所以你做的这个实验 并没有说 在什么范围内怎样变化 而且有的时候 两个是不变的

NO.38 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
蜗牛猪(游客)发表评论于2015-6-25 9:25:06
蜗牛猪(游客)这是一个有趣而值得思考的问题。
NO.39 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶(游客)发表评论于2015-6-25 15:20:50
余思溶(游客)愿闻其详
以下引用蜗牛猪(游客)在2015-6-25 9:25:06发表的评论:
这是一个有趣而值得思考的问题。

NO.40 Re:大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?
余思溶(游客)发表评论于2015-12-3 11:10:02
余思溶(游客)最近在准备2016IYPT的比赛,看到了去年的题目
“5.双气球(Two balloons)
Two rubber balloons are partially inflated with air and connected together by a hose with a valve. It is found that depending on initial balloon volumes,the air can flow in different directions. Investigate this phenomenon.
两个橡胶气球被不完全充满气并被一个带阀的塑料管(hose)连接。会发现空气由于初始气球体积不同而流向不同方向这样的现象。研究这个现象。”
比赛视频https://www.youtube.com/watch?v=YcGvbWKgvJo

看了之后,只能感叹,我做的研究不够深入!
相关链接:
http://iypt.org/Home
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b189b970102vaez.html
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