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1 일반물리실험 II

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3 일반물리실험 II 주별 강의및실험내용 과제및기타참고사항 1 Equipotential Lines and Electric Fields Electrostatics 2 Coulomb's Law " 3 Electrical Resistance, Resistivity & Ohm's Law DC Circuits 4 RC Circuits " 5 Bridge Techniques " 6 Magnetic Field of a Solenoid and Transformer Electromagnetism 7 Current Balance " 8 RL & RLC Circuits AC Circuits 9 Diode Characterization & Rectification " 10 Ferromagnetic Hysteresis Electromagnetism Geometric Optics: Focal Length of Lenses, Reflection and Refraction, Index of Refraction, Polarization, Brewster Angle Physical Optics 1: Young's Double-Slit, Diffraction, Grating 13 Physical Optics 2: Interferometery " Optics 14 Speed of Light Optics / Modern Physics 15 e/m measurement Modern Physics 16 Millikan Oil Drop " 17 Planck's Constant Experiment " 18 Hall Effect " "

4 1. Equipotential Lines and Electric Fields Electrostatics 전기장이형성된수조 ( 혹은탄소용지 ) 안에서나타나는등전위선의모양을측정 전극의형태에따라형성되는등전위선의형태를통해전기장의개념을이해 공간에등전위선에수직한방향으로형성되는장의기본개념이해 (1) 등전위선의측정 물을채운수조나전기가통하는금속판위의임의의두위치에다양한모양의전극을놓은후두점사이에형성되는전위차를검류계에연결된고정단자와이동단자를이용해측정 전위차가 0 인지점사이에서는전류가흐르지않으므로이러한점들을찾아선으로연결하여등전위선을완성 고정단자의위치를옮겨가면서각각의위치에해당하는등전위선을반복해서완성 사용하는물에약간양의전해질을넣어전기전도를용이하게함 (2) 전기장그리기 전기장의방향과등전위선의접선방향이서로수직인관계를이용

5 해 (+) 전극으로부터 (-) 전극방향으로임의의등전위선위에서의전기장의방향을표시 세계과학 (SG-6100 또는 SG-IT2), PASCO (PK-9023), EYECA (EYS-505W) 2. Test of Coulomb's Law Electrostatics 정전기를가지는물체사이에서작용하는쿨롱의법칙을이해 축전기에축전되는전하량을계산하는방법이해 축전기는두가지의다른전하가분리되어축전되는원리를이용해쿨롱의법칙을실험으로확인 두개의금속판으로이루이진축전기의금속판을직류전원공급장치를이용해대전시킨후두개의금속판중하나는고정시키고다른하나의평판은힘을측정할수있는장치 ( 저울, 용수철등 ) 또는두평판사이에발생하는전기장을측정하는장치와연결하여두금속판사이에서작용하는쿨롱의법칙을실험을통해확인

6 이때금속판에대전되는전하량은두금속판사이에공급되는전위차와금속판사이의거리, 그리고금속판의면적에의해결정됨 쿨롱의법칙이설명하는전기적인힘은사용되는저울에나타나는질량의변화를통해계산 실험장비에따라서는축전기형태대신대전된두개의구사이의전기력을측정하여쿨롱의법칙을시연하는경우도있음 사진출처 세계과학 (SG-7800), EYECA (EYS-502), PHYWE (P ), PASCO (ES-9070) 3. Electrical Resistance, Resistivity & Ohm's Law Ohm's Law 전압과전류의관계를통해 Ohm 의법칙을확인 Ohm 의법칙이적용되는범위에대해이해

7 다양한형태의물질에서측정되는저항값과그물질의모양사이의관계를확인하고, 결과로부터물질고유의특성인비저항값을계산 이실험은 Ohm 의법칙과비저항값을측정하는실험인동시에, 이후 로실험에서주로사용되는전자기학관련실험세트와인터페이스의사 용을익숙하게숙달하는과정임 컴퓨터에연결된 Interface 시스템과필요로하는전압계 / 전류계센서를연결하고, 연결된센서들을포함하는전기회로를구성하여, 주어진저항에서전압과전류의상관관계를확인하고그결과로부터저항의저항값을계산 임의의형태 ( 주로직사각형모양이나원형막대형태 ) 를가지는금속막대의저항을다양한방향에서측정하고이저항값과금속막대의모양으로부터비저항값을계산. 일반적인물질의경우, 비저항은그물질을특징짓는고유값임을확인 이때저항값을얻기위해되도록하나의전압과전류값을이용하는것이아닌앞서의 Ohm 의법칙관련실험과동일한방법을사용하도록함 되도록아날로그방식이아닌디지털방식을이용하여실험을수행하는것을권장함 금속을이용해비저항측정을하게되는경우, 금속의저항이낮아적은전압으로도높은전류가흐르는경우가대부분임. 따라서전류계의검측한계를잘확인하여과전류가전류계로흐르지않도록주의하여야함 다이오드의측정을추가하여, 오옴의법칙이적용되는예와적용되지않는예를구분하여확인해볼수있음. 이경우, 뒤에나오는다이오드특성실험을따로수행하기보다는본실험과합하여하나로수행가능

8 PHYWE (Cobra3/Cobra4 Interface 와관련 software, Electric Component Set), Vernier (LabQuest Interface 와 Logger Pro Software), PASCO (Basic Electricity Set) 4. RC Circuits Capacitors and Capacitance, Circuit Theory 축전기의작동원리를이해 축전기의전기회로내에서의역할이해하고축전기의충방전을실험을통해확인 축전기와저항, 직류전원공급장치가직렬로연결된형태의회로를구성하고, 전압 / 전류센서를연결하여 RC 회로를구성 전원의차폐여부에따라축전기가충전되거나방전되는양상을회로내의전류와전압의변화를통해확인 얻어진데이터의추세선을분석프로그램을이용해확인하고이로부터사용된축전기의시상수값을계산

9 PASCO (Basic Electricity Set), PHYWE (P ), EYECA (EYS-501RP), PHYWE (Electric Component Set), 일반적인전기회로세트 5. Bridge Techniques Circuit Theory, AC Circuits 미지의저항을측정하는방법이해 Wheatstone 브리지의구조와원리를이해 전기회로실험키트를이용하거나브리지실험을위해제작된기자재를사용 필요한전류 / 전압센서를컴퓨터인터페이스와연결한상태에서 Wheatstone 브리지회로를구성하여미지의저항의저항값을측정 디지털검류계의경우과전류에민감하기때문에사용하는전류계의한계치를주지하여센서가망가지거나오작동하지않도록주의할필요가있음 주어진저항을교류전원에연결하고, 인덕턴스나축전용량의변화까지보정하여정확한임피던스를측정하고자한다면, wheatstone 브리

10 지를변형하여다른종류의브리지실험을수행할수도있음 일부실험기자재의경우모든전기파트들이하나의케이스에잘정리되어들어있는경우가있는데, 이러한시스템보다는학생들스스로가회로를구성해볼수있는 breadboard 타입의실험기자재사용을권장함 PASCO (Basic Electricity Set), PHYWE (Electric Component Set), EYECA (EYS-506RP), 세계과학 (SG-7716), 일반적인전기회로세트 6. Magnetic Field of a Solenoid and Transformer Electromagnetism, Inductance, Alternating Fields and Currents 전기가흐르는도선주위에서자기장의생성원리이해 솔레노이드내부에서형성되는자기장의밀도를실험을통해확인하고이론과실험을비교 독립된인접회로사이에서형성되는유도기전력의형성원리를통해변압기의원리를이해 변압기의작동을실험으로확인

11 (1) 솔레노이드 ( 코일 ) 에서발생하는자기장의밀도측정실험 발생하는자기장의크기가정확히알려져있는코일이나영구자석을이용하여가우스센서를교정. ( 가우스센서는자기장의값을직접측정하는기구가아님. 자기장에따른전압의변화를측정하는기기이며센서의내부에장착된회로가이를다시환산해서자기장값으로변화시켜주는과정을거침. 따라서센서에따라서실험전에정확히알려진자기장값으로자기장과전압사이의관계를지정해주는교정작업이필요함.) 임의의코일에직류전원발생장치를연결하고가우스센서를이용하여자기장을측정 코일에가해주는전류의크기로부터계산되는자기장의크기와측정된자기장을비교 (2) 유도기전력 / 변압기실험 두개의코일을, 하나는교류전원발생장치에, 다른하나는계측센서 ( 전압계혹은전류계 ) 에연결하여서로독립된회로를구성하도록한후, 전원을공급하여 2 차코일 ( 센서가연결된코일 ) 에유도되는유도기전력을측정 측정결과로부터코일의감은수와회로내의기전력사이의상관관계를확인 두개의코일을철심으로연결하게되면발생하는자기장의손실을줄여보다정확한결과를얻을수있음 (3) 두가지실험이다른물리법칙을설명하는실험이기때문에실험설명에주의할필요가있음 사진출처

12 PASCO (Basic Electricity Set), PHYWE (P /15, P /11 또는 Electric Component Set), 세계과학 (SG-9603), 일반적인전기회로세트 7. Current Balance Electromagnetism, Inductance 전류와자기장사이의상관관계를이해 자기장에의해전류가흐르는도선에작용하는로렌츠힘의측정 자기장하에서전류가흐르는도선이받는힘은전류천칭을이용하여측정하여로렌츠힘을확인함 코일을이용하여일정한자기장을만든상태에서코일내에전류가흐르는도선을넣고, 그도선이받는힘을천칭의원리 ( 토오크를이용하여힘의균형을맞춤 ) 를이용하여상쇄시킴으로써중력에대비하여자기장에의한힘을계산함 일정한질량을매달고, 그질량과균형을맞추기위해서는얼마의전류를코일에흘려주어야하는가를통하여힘의균형을찾거나, 반대로, 전류 ( 따라서자기장 ) 를고정시킨상태에서반대편에균형추의무게나위치를변화시키며균형을찾는두가지방법을생각해볼수

13 있음. 두번째방식은코일이아닌영구자석등을사용할때유용함. 하지만, 대부분의경우전자석을이용하는경우가힘의균형점을찾기가쉬움 사진출처 _detail&cc=100105&gc=gd PASCO (EX-9933), 세계과학 (SG-S6119), EYECA (EYS-508) 8. RL & RLC Circuits Capacitance, Inductance, Circuit Theory, AC Circuit 교류의특성이해 저항, 유도코일, 축전기가각각교류전원하에서작동하는원리이해 RLC 회로의특성이해 RLC회로의공진주파수확인 회로의각단자에걸리는전압을통해임피던스와위상각을측정

14 (1) 유도코일 (inductor) 특성실험 저항, 유도코일, 교류전원공급장치를직렬로연결한회로를통해유도코일의특성을확인 (2) RLC 회로의공진주파수실험 RLC 회로를구성하고교류발생장치와전압센서를회로에연결하여교류주파수에따라회로의각단자에서측정되는전압의변화를관찰 측정된데이터를이용하여임피던스와위상각을구하고이론치와비교 실제실험에앞서각각의파트의저항값, 축전용량, 자기유도계수를이용하여이론을통해대략적인공진주파수의대역을확인한후, 이론값의근방에서실험을수행 PASCO (Basic Electricity Set), PHYWE (P /11 또는 Electric Component Set), 일반적인전기회로세트, EYECA (EYS-516R), PASCO (CI-6512) 9. Diode Characterization & Rectification Circuit Theory, AC Circuits

15 대표적인반도체소자인다이오드의특성이해 다이오드를이용한정류장치의작동원리이해 교류를이용하는전기회로에서사용되는다양한필터의작동원리이해 (1) 다이오드특성곡선실험 (non-ohmic 특성곡선 ) 다이오드에직류전원과함께전압 / 전류센서를연결하고, 전압을양방향으로변화시키면서이때발생하는전류를측정하여전압 - 전류특성곡선을완성 다이오드의 non-ohmic 특성을확인 (2) 정류회로실험 1 2 개혹은 4 개의다이오드를이용한교류정류회로를구성하고각각의회로에서정류되는교류의파형을관찰 (3) 정류회로실험 2 4 개의다이오드를이용해 1 차정류된교류를 high-pass, low-pass, pi 등다양한 filter 를이용하여 2 차정류한후최종결과의파형을관찰 PASCO (Basic Electricity Set), PHYWE (P P , Electric Component Set), 일반적인전기회로세트, EYECA (EYS-522P)

16 10. Ferromagnetic Hysteresis Models of Magnetism 강자성물질의물성이해 강자성물질에자기장을가해준후자기화강도를측정 자기이력곡선을통해물질의자기적특성확인 예로주어진그림의기본구성은변압기의형태와유사하나두개의코일에는동일한전류를흘려주어전체적으로둘을관통하는철심에가해지는자기장이일정하게형성되도록해줌 코일에전류를공급하면발생하는자기장이코어를구성하는강자성물질을자화시킴. 이때, 자기장의세기는코일에가해주는전류의크기로부터계산되어지고, 자화의정도는코어내부에장치한 Hall probe 를이용하여측정하게됨 자기장의세기를점차변화시켜가면서자화가포화상태가될때까지전류공급을증가시킨후, 차츰전류공급을줄여자기장의세기를줄여가면서다시자화의정도를측정 자기화강도데이터를자기장의함수로표현한곡선이자기이력곡선임 단순하게는나침반을이용하여측정이가능. 이경우에는, 자화된강자성물질을동서방향으로놓고

17 정해진거리만큼떨어진위치에놓인나침반의바늘이남북방향으로부터얼마나회전하는지를측정하여토오크의계산을통해자화에따른자기장의세기를이용하여자기화강도를측정하게됨 사진출처 PHYWE (P ), 세계과학 (SG-6128) 11. Geometric Optics: Focal Length of Lenses, Reflection and Refraction, Index of Refraction, Polarization, Brewster Angle Geometric Optics 전자기파의일종인빛의특성이해 빛의반사, 투과, 편광및회절을실험을통해확인 (1) 렌즈의초점거리측정실험 레이저는직진성이강해기하광학에서사용하는평행광선법을구현할수있는좋은광원이된다.

18 평행한여러개의레이저광원을사용하거나또는하나의광원을평행하게평행이동시키면서선택한렌즈에레이저를쏘아레이저가지나가는경로를기록하고그경로가모이는점을통해주어진렌즈의초점거리를확인 (2) 반사와굴절 빛이굴절률이 n 1 인매질에서굴절률이 n 2 인매질로들어갈때두매질의경계면에서나타나는반사와굴절의효과를레이저광원을이용하여실험 반원형프리즘을사용하여공기중에서프리즘으로들어가는입사광의방향을반원의호방향에서반원의중심방향으로조정하면반원의중심에이르기까지는각의변화가없다가반원의줌심에서프리즘으로부터공기중으로나가는과정에서굴절률이큰물질에서작은물질로나가게되어각에따라전반사의효과를관찰할수있게됨 (3) 편광, Brewster 각 한개혹은두개이상의편광필터를이용하여레이저광원이편광됨을확인 앞서의반사와굴절실험에서와마찬가지로빛이두개의다른매질에의해형성되는경계면을지날때반사된빛이편광되는현상을통해반사광의편광조건을실험으로확인 (4) 실험의변형 교과과정에따라위의내용을둘로나누거나, 후반부의실험만을집중적으로수행하는것이가능함 PASCO (Basic Optics System and Accesories), 세계과학 ( 광학종합실험세트 ), PHYWE (Optics Set 또는 P )

19 12. Physical Optics 1: Young's Double-Slit, Diffraction, Grating Physical Optics, Optical Interference, Optical Diffraction 빛의간섭현상과회절현상을이해하고실험을통해관찰 회절격자의특성을이해하고그응용을실험으로확인 (1) 간섭실험 영의이중슬릿실험을통해빛의간섭을확인 레이저광원으로부터오는빛이이중슬릿을통과해위상이일치하는두개의광원으로나뉘어스크린으로진행하면진행하는경로의차이에의해두광원간의위상차가발생하게됨 이경로차에의한위상차가간섭현상을발생시켜최종적으로스크린의특정부분에보강간섭이나상쇄간섭이나타나게되는데, 이러한결과를스크린위치에광센서를놓아위치별로도달하는광량을측정하여데이터화함 (2) 회절실험 회절현상은단일슬릿을이용해위의실험과같은방식으로확인

20 PASCO (Basic Optics System and Accesories), 세계과학 ( 광학종합실험세트 ), PHYWE (Optics Set) 13. Physical Optics 2: Interferometery Optical Interference, Optical Diffraction 간섭계의원리를이해 다양한간섭계를통해그응용을실험으로확인 (1) 마이켈슨간섭계실험 beam splitter 에의해나뉜레이저는두개의다른경로를따르는독립된광원이되어, 최종적으로다시한점에서만날때각각의독립된경로의길이차에따라스크린에특유의동심원형태의간섭무늬를형성 이때둘중하나의경로를천천히바꾸면스크린에형성된동심원형태의간섭무늬가이동하는것을관찰할수있고, 이간섭무늬의개

21 수변화를통해변화를준경로의길이변화를계산할수있고, 추가로사용한레이저의파장을역산할수있음 (2) 마흐 - 젠더간섭계실험 기본적인실험장비는마이켈슨간섭계와유사함 두개의경로중하나에투명한매질 ( 유리, 진공튜브, 특정 gas 가들어있는관등 ) 을추가로설치해그경로를따르는광원의위상을변화시키면, 그에따른간섭무늬의변화로부터경로상에추가된매질의굴절율을알수있음 (3) 패브리 - 페로간섭계실험 기본적인세팅은레이저와스크린사이에두개의반투과거울을마주보도록배열 두장의유리사이에서여러번에걸쳐빛의반사와투과가이루어지도록하여이때투과되어스크린으로나오는여러경로의빛이마치회절격자를통과한단일광원과같이간섭현상을일으키도록만들어주어간섭무늬를더욱진하게함 두개의반투과거울사이의거리를조절하여경로차를만들어주어스크린에나타나는간섭무늬를변화시키고, 그변화를관찰하여사용하는레이저의파장을계산 추가로간섭무늬의형태에따라간섭계내부에서형성되는다양한형태의 resonator mode 를관찰해볼수도있음 사진출처 A.pdf PASCO (OS-9258B), 세계과학 (SG-7530), PHYWE (P ), EYECA (EYS-605)

22 14. Speed of Light Optics, Modern Physics 현대물리에서가장중요한상수중하나인빛의속도를측정하는실험 (1) 푸코의방법을이용한실험 광원에서발생한빛을회전이가능한거울과고정된거울에연속적으로반사시켜되돌아오면렌즈를이용해초점을맞춘상태에서, 회전하는거울을특정주기로회전시키면회전의효과로초점에맺힌상의위치가이동하게되는효과를측정하여빛의속도를계산 (2) 광케이블을이용한실험 회로보드를이용하여특정주파수의전자기파를발생시켜광신호로바꾼후 20 m 이상되는광케이블로전송

23 회로에서발생하는광신호의위상과광케이블을통과한후되돌아오는신호의위상의차이로부터빛의속도를계산 사진출처 Manual-OS-9261A.pdf (1) 푸코의방법을이용한실험 PASCO (OS-9262) (2) 광케이블을이용한실험 세계과학 (SG-7567), EYECA (EYS-601) 15. e/m measurement Modern Physics 전하를가진물체가전기장과자기장내에서하는운동이해 전자의전하와질량의비를측정 기본적으로전자를만들어내는필라멘트와, 전하를가속하는전자가속장치, 그리고자기장을만들어주는헬름홀츠코일부분으로구성되

24 며, 헬름홀츠코일을제외한대부분의파트는진공관내에들어있는형태임 필라멘트에의해발생한전자는전자가속장치내에서전기장에의해전기력에의해가속을하게되어자기장이존재하는영역으로일정속도를가지고진입하게되고, 이러한전자의운동은자기장에의해등속회전운동으로바뀌어자기장과전기장의세기에따라진공관내에놓인스크린의특정부분에도달하게됨 이때, 전자가도달한스크린의위치정보와함께전기장을만들기위해사용된전압과자기장을만들기위해사용된전류의비에따라비전하 ( 전자의전하와전자의질량의비 ) 값을계산할수있게됨 사진출처 PHYWE (P ), EYECA (EYS-703), 세계과학 (SG-6022N), PASCO (SE-9625) 16. Millikan Oil Drop Modern Physics

25 전자가가지는전하량이양자화되어있음을이해 전하의양자화를실험을통해확인 기본전하량을측정 밀리칸의유적실험의기본구성은내부에두개의평행한금속판으로구성된전극이들어있는챔버와전원공급장치, 그리고이챔버내에분사되는기름방울을관찰하기위한카메라시스템으로구성됨 전원공급장치를통해두개의금속판에전원이공급되면두금속판사이에는중력방향의반대방향으로일정한전기장이형성되어, 이전기장이대전된기름방울이중력에의해낙하하는운동을제어하게됨 카메라를통해기름방울의운동을관찰하여, 1) 공기저항을받아일정한종단속도로낙하하는대전된기름방울의낙하속도 (v0) 를측정하고, 수직상향으로전기장을걸었을때기름방울이가지고있는전하의양에따라감소하는속도 (v-) 를측정하고, 다시전기장의방향을바꾸어기름방울이낙하하는속도 (v+) 를측정해, 이값을 Stokes 법칙에의해정리되는공식에의거하여대입해관찰한기름방울이가지는전하량 (nq) 을얻음 여러번에걸쳐실험을반복하여얻은데이터가불연속적인전하량으로나타내어짐을통해전하의양자화를확인하고, 각각의경우에해당하는전하량을외삽하여기본전하량을얻음 PASCO (AP-8210A), 세계과학 (SG-9646), EYECA (EYS-702), PHYWE (P )

26 17. Planck's Constant Experiment Modern Physics 빛의입자성에의해나타나는광전효과이해 광전효과를이용하여플랑크상수를측정 높은에너지의전자기파 ( 빛 ) 가고체표면에입사될때고체표면에서광전자가방출되는광전효과의측정을위해서는높은에너지의빛을만들어줄수있는광원과, 그빛이입사될때광전자를방출해주는금속이들어있는광전관, 그리고광전관에서발생하는광전자를측정할수있는검측회로를필요로함 광원은많은경우수은등을이주로사용되며, 수은등이안정된광원으로작동하기위해서는 3-5 분정도의예열시간이필요함. 수은등으로부터나오는빛의초점을광전관입구로조절하여광자가광전관에도달하도록하면, 광전관에서는광전자가발생. 발생한광전자는연결된검측회로에의해측정됨 얻어지는결과는사용된빛의파장에따라얻어지는광전전압으로표현하고, 이때얻어지는저지전압과진동수의관계를통해플랑크상수를계산 일부의실험장비는 Photoelectric Effect System 이라는제목으로실험이구성된경우도있음

27 PHYWE (P /05), EYECA (EYS-704), 세계과학 (SG-6138N), PASCO (AP-8209) 18. Hall Effect Modern Physics 전하가자기장하에서보이는운동에의한효과인홀효과에대한이해 홀전압을측정하여홀계수를얻고, 이를통해다른종류의전하운반자에대해이해 홀전압과홀계수를통해전하운반자밀도를계산하는방법을숙지 기본적인실험은얇은구리나아연판을이용하여수행 서로다른 carrier 를가지는물질에대해비교실험을통해 carrier 의종류를확인함 기본적인회로구성은직사각형형태의샘플에서긴방향으로전류를걸어주고평면에수직한방향으로자기장을걸어주었을때샘플의짧은방향으로발생하는전압차를측정하는실험 자기장의세기에따라 anomalous 홀효과가나타날수도있으나, 일

28 반적인 set-up 에서는보기쉽지않음 charge carrier 의종류를구분하기위해서는연결하는전극의방향과자기장의방향이모두고려되어야함 온도에따른변화를측정해볼수있으나, 많은경우온도변화가크지않으면차이를구분하기쉽지않음 반도체샘플을이용하여실험을할수도있음. 먼저금속의경우에해당하는샘플을측정하여 carrier 의종류를확인하는방법을익힌후, 임의의반도체샘플 (p-type 혹은 n-type) 의 carrier 의특성을확인하는방식을택할수있음 반대로홀효과를통해나타나는계수를이용하여사용된자기장의세기를역산하는방식을통해자기장을측정할때주로사용하는가우스센서의작동원리를이해해볼수도있음 PHYWE (P ), 세계과학 (SG-6014)

실험 5

실험 5 실험. apacitor 및 Inductor 의특성 교류회로 apacitor 의 apacitance 측정 본실험에서는 capacitor를포함하는회로에교류 (A) 전원이연결되어있을때, 정상상태 (steady state) 에서 capacitor의전압과전류의관계를알아본다. apacitance의값이 인 capacitor의전류와전압의관계는다음식과같다. i dv = dt

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