摘要:本文結(jié)合“神州”六號發(fā)射的情景,探討了與其相關(guān)的幾個中學(xué)物理問題的解答,提示廣大老師要在物理教學(xué)中多關(guān)注高新技術(shù),緊跟時(shí)代步伐。
關(guān)鍵詞:神州;飛船;物理教學(xué);問題
中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-6148(2008)2(S)-0008-5
2004年,以“嫦娥工程”命名的我國月球探測活動全面啟動;2005年10月12日,我國成功發(fā)射了“神州”六號載人航天宇宙飛船,費(fèi)俊龍、聶海勝兩位宇航員搭乘飛船在太空中環(huán)繞地球運(yùn)行77圈后,于10月17號凌晨返回地面;2007年1月11日中國反衛(wèi)星導(dǎo)彈成功試驗(yàn);2007年4月14日我國成功將一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空; 2007年9月22日,經(jīng)國務(wù)院、中央軍委批準(zhǔn),我國將在海南省文昌市建設(shè)新航天發(fā)射場;2007年9月29日中國自主設(shè)計(jì)研制的新一代航天遠(yuǎn)洋測量船——“遠(yuǎn)望五號”在上海江南造船廠正式交付中國衛(wèi)星海上測控部使用;中國的“神舟”七號飛船將在2008年發(fā)射,并且要實(shí)現(xiàn)搭載三名航天員,而且航天員要出艙活動;中國首顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥一號”將于10月下旬在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號”甲火箭發(fā)射升空……新中國航天的巨大成就,完全可以與任何一個世界強(qiáng)國媲美,輝煌的成就讓國人自豪,作為中學(xué)物理教師的我們既承擔(dān)著教書育人的責(zé)任,也肩負(fù)著科普工作的重?fù)?dān),關(guān)注高新技術(shù),讓物理教學(xué)緊跟時(shí)代步伐,我們責(zé)無旁貸?!吧裰哿枴背晒Πl(fā)射和回收,使得航天物理知識在高考命題以及青少年科普知識和愛國主義教育中成為一個亮點(diǎn)和熱點(diǎn)。用中學(xué)物理知識探究分析“神州”六號的發(fā)射、回收、變軌、在軌運(yùn)行等問題,讓“神州”六號與中學(xué)物理教學(xué)結(jié)合,無疑會使物理教學(xué)更具有時(shí)代氣息。
1 飛船(衛(wèi)星)發(fā)射中的物理問題
問題情景1 發(fā)射“神州”六號飛船用“長征”二號F運(yùn)載火箭,火箭起飛重量479噸,飛船重量為8.079噸,起飛時(shí),8臺發(fā)動機(jī)同時(shí)點(diǎn)火,總推力600噸。在電視上我們發(fā)現(xiàn)與發(fā)射衛(wèi)星和導(dǎo)彈相比,“神州”六號要“慢”得多,為什么?費(fèi)俊龍、聶海勝兩位宇航員在飛船發(fā)射升空中,在船艙的躺椅中平躺,為什么?
探究解析 “神州”六號要“慢”得多,從物理學(xué)角度講是指加速度較小。對飛船和火箭:
這個加速度比發(fā)射衛(wèi)星、導(dǎo)彈要小得多,這主要是為航天員的安全和舒適著想,在發(fā)射階段宇航員處于超重狀態(tài),血液視重增大,心臟無法像平常一樣輸送血液,導(dǎo)致血壓降低,頭部血壓降低,下肢血壓升高,使大量血液淤積在下肢靜脈中,嚴(yán)重影響靜脈血的回流,使心臟輸出血量不足,造成頭部供血不足,輕則引起視覺障礙,重則可能導(dǎo)致意識喪失,所以飛船在發(fā)射升空過程中宇航員采用平躺姿勢。如果火箭加速度過大,航天員會感覺不舒適,甚至有生命危險(xiǎn)。當(dāng)然隨高度的升高,加速度會增大,電視中說是4個g左右,航天員訓(xùn)練時(shí)是8個g到12個g。
問題情景2 運(yùn)載火箭發(fā)射“神州”六號飛船時(shí)火箭起初筆直上升,12秒后,逐漸傾斜轉(zhuǎn)彎,開始向東南方向飛去。朝東南方向發(fā)射,為什么?
探究解析 要保證飛船發(fā)射成功,發(fā)射速度至少要達(dá)到第一宇宙速度7.9km/s, 我國地處北半球,這樣能充分利用地球自西向東旋轉(zhuǎn)的部分速度,從而可以節(jié)約發(fā)射燃料。
問題情景3 假如不考慮地球表面附近空氣阻力的影響,只考慮地球自轉(zhuǎn)的影響,那么以第一宇宙速度7.9km/s發(fā)射兩顆質(zhì)量相同的近地人造地球衛(wèi)星,發(fā)射點(diǎn)都在即將建成的海南文昌,一顆自西向東發(fā)射,一顆自東向西發(fā)射,問向哪個方向發(fā)射節(jié)省燃料?朝另一個方向發(fā)射的衛(wèi)星要比朝該方向發(fā)射多消耗燃料百分之幾?(地球半徑R=6.4×106m)
探究解析 第一宇宙速度v1=7.9km/s是衛(wèi)星相對地心的速度,是近地圓軌道上的衛(wèi)星環(huán)繞速度。海南文昌非??拷嗟溃厍蜃赞D(zhuǎn)時(shí),赤道上發(fā)射塔相對地心自西向東速度的大小為:
自西向東發(fā)射,衛(wèi)星達(dá)到速度v1,相對發(fā)射塔的速度為:v3=v1-v2=7.435km/s
自東向西發(fā)射,衛(wèi)星達(dá)到速度v1,相對發(fā)射塔的速度為:v4=v1+v2=8.365km/s
由動能定理:火箭燃料給衛(wèi)星提供的能量之比為:E′kEk=12mv2412mv23=8365274352=1.27
動能之差為:ΔEk=Ek1-Ek2=0.27Ek,發(fā)射消耗的燃料與衛(wèi)星獲得的動能成正比,故自東向西發(fā)射比自西向東發(fā)射多消耗燃料27%。
海南新發(fā)射場建成后,主要承擔(dān)地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量衛(wèi)星、大噸位空間站和深空探測衛(wèi)星等航天器的發(fā)射任務(wù),中國的“長征”系列火箭以及將來的新大推力火箭,推力將可以提升10%。我國酒泉、西昌、太原三個內(nèi)陸發(fā)射基地受到鐵路運(yùn)輸條件的限制,火箭直徑不能超過3.35米。發(fā)射基地建在沿海,就可用海運(yùn)這種不受體積限制的方式,地處低緯度的海南還可增強(qiáng)火箭有效發(fā)射能力,廣袤的南海也可成為火箭殘骸安全的墜落區(qū)。
2 飛船(衛(wèi)星)運(yùn)行中的物理問題
問題情景4 “長征二號”F運(yùn)載火箭帶著“神州”六號飛船,升空后第120s,火箭實(shí)施第一個分離動作,拋掉了逃逸塔;第136s,火箭助推器分離;第159s,火箭一、二級分離;第200s,整流罩上的兩瓣罩體落入空中,露出“襁褓”里的飛船,此時(shí),第二級火箭已經(jīng)飛出了稠密的大氣層,飛船不再需要整流罩的保護(hù)了;第583s,船箭成功分離,神舟六號飛船以每秒7.5km/s的速度,在我國黃海上空200km高處進(jìn)入預(yù)定軌道,運(yùn)行在軌道傾角42. 4度,近地點(diǎn)高度200.65km,遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約344.725km的橢圓軌道,飛船飛行到第5圈實(shí)施變軌,進(jìn)入343km的圓軌道繞地球飛行,運(yùn)行的方向基本上和地球同向。為什么飛船要沿橢圓軌道運(yùn)動?為什么要變軌?
探究解析 在200km高處船箭分離,由于飛船這時(shí)仍保持著較高飛行速度,因此,它并不是在200km高度做圓軌道運(yùn)行,而是沿橢圓軌道運(yùn)動。如圖1所示:飛船在橢圓軌道上運(yùn)動時(shí),由開普勒第一定律可知,地球位于飛船橢圓軌道的一個焦點(diǎn)上,O為地心。為了保證航天員的安全,在從第3圈起開始由地面向飛船注入“自主應(yīng)急返回控制參數(shù)”,以便一旦發(fā)生緊急故障,航天員可以通過鍵盤操作中止正常飛行程序,按預(yù)先設(shè)計(jì)好的自主應(yīng)急返回程序,實(shí)施自主應(yīng)急返回飛行程序,使飛船在預(yù)定的應(yīng)急著陸區(qū)(國內(nèi)、外共10個)之一著陸。
飛船在橢圓軌道上的兩個特殊位置A、B(A為近地點(diǎn),B為遠(yuǎn)地點(diǎn))所受萬有引力的方向雖然與飛船線速度的方向垂直,但都不滿足萬有引力等于該點(diǎn)所需向心力的條件,由開普勒第二定律可知,飛船在A點(diǎn)速度較大,地球?qū)︼w船的萬有引力小于飛船做半徑為ROA的圓周運(yùn)動所需向心力,做離心運(yùn)動,飛船在B點(diǎn)速度較小,地球?qū)︼w船的萬有引力大于飛船做半徑為ROB的圓周運(yùn)動所需向心力,做向心運(yùn)動;飛船在橢圓軌道上的其它位置(如C點(diǎn))所受萬有引力的方向既不與線速度垂直,也不滿足萬有引力等于該點(diǎn)所需向心力的條件,將萬有引力分解為沿速度方向上的切向分力和垂直于速度方向的法向分力,切向分力使飛船加速或減速,法向分力使飛船速度方向改變。
飛船在遠(yuǎn)地點(diǎn)B開動軌控發(fā)動機(jī),向飛船運(yùn)動反方向噴氣,使飛船加速,當(dāng)滿足萬有引力等于飛船做半徑為ROB的圓周運(yùn)動所需向心力時(shí),飛船的運(yùn)行軌道由橢圓軌道2變?yōu)榘霃綖镽OB的圓軌道3運(yùn)動。飛船變?yōu)閳A軌道后,在第一、第三、第五天的運(yùn)行軌跡基本是重復(fù)的,按設(shè)計(jì)方案,在這種情況下,便于飛船返回主著陸場。同時(shí),圓軌道的自主應(yīng)急返回方案相對于橢圓軌道來說,要更加便于設(shè)計(jì)。
問題情景5 如上圖1,1為離地高度為200km的圓軌道,在1軌道上的A點(diǎn)的線速度v1、加速度a1和在2軌道上的A點(diǎn)v2、a2大小關(guān)系是怎樣的?在2軌道上的B點(diǎn)的線速度v3、加速度a3和在3軌道上的B點(diǎn)v4、a4大小關(guān)系是怎樣的?在2軌道上的A點(diǎn)和B點(diǎn)兩處,速度和加速度大小關(guān)系是怎樣的?
探究解析 在軌道1上的A點(diǎn)萬有引力等于飛船在該點(diǎn)做圓周運(yùn)動所需向心力,“供需平衡”:
在軌道2上的A點(diǎn)萬有引力小于飛船在該點(diǎn)做圓周運(yùn)動所需向心力,“供需失衡”:
故v1<v2
無論是在軌道1還是在軌道2上的A點(diǎn),都是萬有引力產(chǎn)生加速度,由牛頓第二定律:
在2軌道上的A點(diǎn)和B點(diǎn)兩處,由牛頓第二定律可知:a2>a3;從A點(diǎn)向B點(diǎn)運(yùn)動,由能量守恒定律可知v2>v3。
問題情景6 “神舟”六號飛船升空后,進(jìn)入近地點(diǎn)距地心為r1,遠(yuǎn)地點(diǎn)距地心為r2的橢圓軌道。2005年10月12日15時(shí)54分45秒,神舟六號飛船推進(jìn)艙軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火,飛船開始變軌,飛船在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí),將質(zhì)量為Δm的燃?xì)庖砸欢ǖ乃俣认蚝髧姵龊?,飛船改作半徑為r2的圓周運(yùn)動,已知地球表面處加速度為g,飛船在近地點(diǎn)速度為v1,飛船總質(zhì)量為m,取距地球無窮遠(yuǎn)處為引力勢能零點(diǎn),質(zhì)量為m的物體的引力勢能為Ep=-G Mmr (其中M為地球質(zhì)量, r為物體距地心的距離,G為萬有引力常量)。求飛船在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí),應(yīng)將Δm的氣體以相對于地球多大的速度v0向后噴出才能進(jìn)入半徑為r2的圓軌道(已知地球半徑為R,地面重力加速度為g)
探究解析 飛船在橢圓軌道上運(yùn)行,機(jī)械能守恒。設(shè)飛船在遠(yuǎn)地點(diǎn)的速度為v2,
問題情景7 10月14日清晨,“神舟”六號在第30圈進(jìn)行變軌后的首次軌道維持,根據(jù)軌道精測參數(shù)進(jìn)行微量調(diào)整,使飛船回到預(yù)定的正常軌道,為什么要進(jìn)行軌道維持?
探究解析 飛船在運(yùn)動過程中,由于受到稀薄空氣的摩擦阻力和地球引力的影響,軌道高度會逐漸緩慢降低,為確保飛船正常運(yùn)行,必須進(jìn)行軌道維持,“神六”首次軌道維持時(shí),發(fā)動機(jī)共點(diǎn)火6.5s,飛船抬高了800m。如果不進(jìn)行軌道維持,飛船的向心加速度逐漸增大,周期逐漸減小,線速度和角速度都逐漸增大,機(jī)械能逐漸減小。
問題情景8 軌道艙也叫工作艙,它是航天員的“太空臥室”兼“工作間”,它還兼有航天員生活艙和留軌實(shí)驗(yàn)艙兩種功能,所以也稱留軌艙。軌道艙里面裝有多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器,可進(jìn)行對地觀測,其兩側(cè)裝有可收放的大型太陽能電池帆翼、太陽敏感器和各種天線以及各種對接結(jié)構(gòu),用來把太陽能轉(zhuǎn)換為飛船的能源,與地面進(jìn)行通訊等。作為航天員的“太空臥室”,軌道艙的環(huán)境很舒適,艙內(nèi)溫度一般在17至25℃之間?!吧裰荨绷栐趫A軌道上運(yùn)動時(shí),宇航員相對軌道艙“靜止”站在艙內(nèi)的“地板”上,下列說法正確的是( )
A.宇航員不受重力作用
B.宇航員與“地板”之間無彈力
C.宇航員所受重力與他在該位置所受的萬有引力相等
D.若宇航員將手中的筆無初速釋放,筆將落到“地板”上
探究解析 宇航員隨飛船在加速上升階段處于超重狀態(tài),火箭與飛船分離,推力消失,飛船入軌后,就會開始出現(xiàn)失重狀態(tài),而繞地球做勻速圓周運(yùn)動時(shí)處于完全失重狀態(tài),所以答案是BC。實(shí)際上,由于完全失重,人其實(shí)可以浮在空中睡覺,但考慮到人在地面養(yǎng)成的習(xí)慣,所以載人飛船(或空間站)通過睡袋人為地制造一種“床”的感覺,否則航天員睡覺時(shí)可能會產(chǎn)生墜入萬丈深淵的錯覺。
問題情景9 附加段也叫過渡段,是為與另一艘飛船或空間站交會對接做準(zhǔn)備用的。在載人飛行及交會對接前,它也可以安裝各種儀器用于空間探測,神舟飛船軌道艙前端可能裝有俄羅斯式的對接系統(tǒng)。假設(shè)“神州”六號要與國際空間站對接,下列措施可行的是( )
A.從較低軌道上開始加速
B.從較高軌道上開始加速
C.從空間站同一軌道上加速
D.無論從什么軌道上,只要加速就行
探究解析 飛船在某一軌道上加速時(shí),所需向心力增大,原有的萬有引力不足以提供現(xiàn)有的向心力而做離心運(yùn)動,使軌道半徑增大,因而只能從較低軌道上加速,所以選A。需要說明的是,上述情景只是一種假設(shè),事實(shí)上“神州”六號軌道艙繞地球運(yùn)行半年后,將會進(jìn)入大氣層經(jīng)過升溫、熔化,最后汽化而銷毀。由于此次飛行沒有交會對接任務(wù),神舟六號取消了附加段。
問題情景10 “神州”六號總質(zhì)量為m,在離地h高處繞地球做勻速圓周運(yùn)動,已知地球質(zhì)量為M,地球半徑為R,地球表面重力加速度為g,萬有引力常量為G,求:
(1)飛船在軌道上正常運(yùn)行的速度是多大?
(2)飛船在軌道上運(yùn)行周期是多少?
(3)質(zhì)量為m0的宇航員,他在飛船中的重力將變?yōu)槎啻???/p>
探究解析
(1)由GMm(R+h)2=mv2R+h 和GMm′R2=m′g,
求得v=gR2R+h
(2)由T=2π(R+h)v,
求得T=2π(R+h)RR+hg(周期90min)
(3)在飛船上的宇航員,萬有引力等于重力,故GMm0(R+h)2=m0g,變形可得m0g=m0gR2(R+h)2,事實(shí)上h比R小得多,所以宇航員的重力只是略有減小。
3 飛船(衛(wèi)星)回收中的物理問題
飛船在軌道運(yùn)行5天后返回地面,返回程序是:飛船飛行姿態(tài)第一次調(diào)整→軌道艙分離(留在太空繼續(xù)飛行)→飛船飛行姿態(tài)第二次調(diào)整,呈倒飛狀態(tài)→推進(jìn)艙發(fā)動機(jī)點(diǎn)火,降低軌道高度,進(jìn)入返回軌道→推進(jìn)艙分離→返回艙姿態(tài)調(diào)整建立再入姿態(tài)→進(jìn)入稠密大氣層,穿越黑障區(qū)→回收著陸系統(tǒng)啟動工作,彈出傘艙蓋,連續(xù)完成拉出引導(dǎo)傘、減速傘和主傘動作→著陸。
問題情景11 在2005年10月17日凌晨3時(shí)44分,“神州”六號飛船軌道艙與返回艙成功分離,并在3時(shí)45分,飛船的發(fā)動機(jī)成功點(diǎn)火,開始回航。在4時(shí)07分飛船軌道艙與返回艙成功分離,返回艙自行重返地球?!吧裰萘碧柕能壍琅摵头祷嘏摲蛛x后,軌道艙將仍留在太空運(yùn)轉(zhuǎn)半年,其運(yùn)行周期和速度與原來相比( )
A.周期變大,速度變大
B.周期變大,速度變小
C.周期變小,速度變大
D.周期變小,速度變小
探究解析 軌道艙和返回艙分離時(shí)滿足動量守恒。設(shè)總質(zhì)量為M,返回艙質(zhì)量為m,則Mv=(M-m)v1-mv2 ,由此可知v1增大,原有的萬有引力不足以提供向心力而使軌道艙做離心運(yùn)動,其運(yùn)行軌道半徑比原來更大,所以運(yùn)行速度變小,周期變大,應(yīng)選B。
問題情景12 “神州”六號的返回艙與軌道艙分離之后,便開始緩緩下墜進(jìn)入大氣層,下墜過程除重力做功外,克服其它力做功為W,若返回艙質(zhì)量為m,開始進(jìn)入大氣層時(shí)距地面高度為h,地球半徑為R,假設(shè)地球表面附近的重力加速度恒為g,求其下墜后到達(dá)地面時(shí)的速度v2?
探究解析 返回艙進(jìn)入大氣層時(shí),其速度為v1,有mg=mv21R+h①
進(jìn)入大氣層下墜過程能量守恒,有
12m v12+mg(R+h)=12m v22+W②
由①②得v2=3g(R+h)-Wm
問題情景13 “神舟”六號飛船自12日9時(shí)上天,歷經(jīng)5天5夜于17日凌晨安全返回主著陸場。飛船在返回過程中,當(dāng)飛船返回艙下降到距地面大約10km高度時(shí),返回艙上的靜高壓控制器通過測量大氣壓力判定高度,自動打開傘艙蓋,首先帶出引導(dǎo)傘,引導(dǎo)傘再拉出減速傘,此時(shí)返回艙的速度大約180m/s,第一次打開減速傘8s后返回艙速度減為80m/s左右,然后第二次打開主傘使飛船速度進(jìn)一步減小,最終減小到10m/s。假設(shè)第一次打開減速傘后飛船作勻減速運(yùn)動,試估算航天員費(fèi)俊龍、聶海勝在第一次打開減速傘到第二次打開主傘的過程中所承受的載荷值(即所受支持力與自身重力之比值g=10m/s2)。
探究解析 第一次打開減速傘后飛船作勻減速運(yùn)動,飛船的加速度為:
a=v2-v1t=80-1808=-12.5m/s2
由牛頓第二定律:mg-FN=ma
故FN/mg=(g-a)/g=2.25
問題情景14 為了實(shí)現(xiàn)返回艙安全著陸,在飛船即將著陸的一瞬間,飛船距地面約1m時(shí),安裝在返回艙底部的四臺緩沖發(fā)動機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作,使返回艙的速度由10m/s降到2m/s。假設(shè)返回艙質(zhì)量為M,減速時(shí)間為t,試求返回艙在這段時(shí)間內(nèi)所受的平均阻力?
探究解析 對返回艙,由動量定理:
(Mg-F)t=Mv2-Mv1
則F=M(v1-v2)t+Mg=8Mt+Mg
問題情景15 2008年我國航天員將實(shí)現(xiàn)太空行走,設(shè)想航天員連同裝備的總質(zhì)量M=100kg,在距離飛船45m處與飛船處于相對靜止?fàn)顟B(tài),航天員背著裝有質(zhì)量為m0=0.5kg氧氣的貯氣筒,其上有一個可以使氧氣以相對于宇航員以v=50m/s的速度噴出的噴嘴,航天員必須向著返回飛船相反的方向放出氧氣,才能回到飛船,同時(shí)又必須保留一部分氣體供途中呼吸用,航天員的耗氧率為Q=2.5×10-4kg/s,不考慮噴出氣體對航天員及設(shè)備總質(zhì)量的影響。求:
(1)瞬時(shí)噴出多少氧氣,航天員才能安全返回飛船?
(2)航天員安全返回到飛船的最長和最短時(shí)間分別為多少?
(3)為了使總耗氧量最低,應(yīng)一次噴出多少氧氣?返回時(shí)間又是多少?(飛船在一段很短的圓弧上的運(yùn)動可視為勻速直線運(yùn)動)
探究解析(1)若m太小,宇航員獲得的速度很小,雖然貯氣筒中剩余的氧氣多,但由于返航時(shí)間太長,將無法滿足途中呼吸所用;若m太大宇航員獲得的速度雖然大了,而筒中氧氣太少,也無法滿足途中呼吸所用。
設(shè)瞬間噴氧氣質(zhì)量為m時(shí),宇航員恰能安全返回,由動量守恒定律:
m(v-v′)=(M-m)v′,即mv=Mv′①
宇航員返回的時(shí)間為t=sv′②
貯氣筒中剩余氧氣質(zhì)量滿足
m0-m≥Q t③
由①②③得400m2-200m+9≤0
解得0.05kg≤m≤0.45kg
(2)根據(jù)①②式得t=Msmv④
當(dāng)m=0.05kg時(shí),可求得宇航員安全返回到飛船的最長時(shí)間為tmax=1800s;
當(dāng)m=0.45kg時(shí),可求得宇航員安全返回到飛船的最短時(shí)間為tmin=200s;
(3)當(dāng)總耗氧量最低時(shí),設(shè)宇航員安全返回共耗氧氣Δm,則Δm=m+Qt⑤
“神州”六號是系統(tǒng)的復(fù)雜工程,我們除了從中學(xué)物理知識角度分析解釋相應(yīng)一些問題,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣外,還應(yīng)對學(xué)生進(jìn)行愛國主義教育、合作精神、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、抗挫折教育、樹立遠(yuǎn)大理想教育的好教材。作為教師,只要我們時(shí)刻觀注高新技術(shù),始終能夠挖掘出配合教育教學(xué)的“新教材”,物理教學(xué)就會不再枯燥,就會跟上時(shí)代的步伐,物理教學(xué)就會時(shí)刻沐浴在陽光春天中。
(欄目編輯趙保鋼)
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