高二物理校本课程：现代科技前沿(物理篇)Word文档格式.doc
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地球科学
地球科学越来越向综合化，致力于人类生存发展的资源，生态和环境的探索、保护和合理作用，更具区域化、全球化，有效地弄清地球系统的整体行为、全球变化的性质和原因，以及演化规律。
地球科学中还有问题仍是不解之谜，由今天的天气按照大气运动方程组预报明天的天气，由明天的天气按同样在大气运动方程组公式预报后天的天气……，怎么说“长期天气预报是不可能的”呢？
纽约一只蝴碟翅膀一拍，北京的天气果真会变化吗？
云中的一个冰晶种子，为什么会自动组织成一个六角形的雪花？
为什么热带的某个地点，突然会生成一个螺旋式结构、风力很大的台风呢？
在上海的某一小地区为什么突然出现将树连拔起的龙卷风呢？
上千公里的大气涡旋不是顺时针转，就是逆时针转，为什么有百公里、十公里、……甚至几厘米的涡旋也以如此相似的方式旋转呢？
月、季、年、10年、102年……，甚至千万尺度的气候的冷还是暖，原来是随尺度的不同而不同，这种说法对吗？
如何研究它们呢？
生命科学
生命科学将成为自然科学的带头学科。
分子生物学将在生命科学中保持主流地位；
细胞生物学还作为生命科学的基础科学继续发展；
脑科学将代表生命科学发展的一个高峰；
生态学将在保护人类生存环境，促进国民经济可持续发展等方面而起到重要作用。
一个多世纪以来，人们一直在探索着宇宙间其他星球是否也与地球一样存着生命物质和生物体。
天文学家早在18世纪末通过天文望远镜对地球最近的火星进行了观察，曾发现在这个星球的表面有横七竖八的黑色线条。
意大利人斯雷断定：
“这是火星上的人开凿的运河。
”后来这些“运河”又被美国天文学家洛威尔绘出了详尽的地图。
自此之后，人们对其他星球上是否有生命的问题争论日趋剧烈，尤其是当天空中时隐时现的不明飞行物的出现，更引来了人们的种种推测，这些飞行物是外星人向地球上发射的探测器！
或者干脆地说：
那些飞行物是外星人与地球人类联系的信号！
果真如此吗？
太有意思了。
现在我们先研究一下火星的自然条件，分析一下那里是否有生物体产生和生存的条件。
火星由地球上观察，它是一颗极美丽耀眼的红色行星，与地球有不少相似之处。
地球的自转时间是23小时56分，而火星则为24小时37分，几乎昼夜相同。
地球的自转轴和轨道平面有23゜27＇倾角，火星则为24゜角。
火星与地球一样有四季的变化，有两个地极，冰雪包裹。
火星两极也有白雪皑皑的极冠，春天气温回升，冰雪消融、极冠变小。
而极冠之外区域颜色变深、更暗，并不断扩展。
这样的景观，很容易让人想到，火星上也有植物，也有他生命体。
本世纪60-70年代，我们多次对火星进行观测。
1977年，美国的“水手九号”飞船进入火星飞行轨道，成了火星飞行轨道，成了火星上人造卫星，拍回了大量的火星图片，表明“运河”是一串暗环形山，“黑线”是我们由望远镜向火星观察时所产生的模糊错觉。
火星人开凿运河的说法被否定了。
照片分析在火星上发现了纵横交错的枯水河流、沙洲和小岛，足见火星曾有过流水的河道！
照片显示最长河流达1555公里，宽达200米。
想象得出来：
当河床充满河水时，奔流的大河是多么的壮观啊！
火星上还有巨大的火山，最高的达25000米，比地球上的珠穆朗玛峰高出3倍。
科学家们认为：
历史上火星上的火山比地球上的活跃，随着火山活动，火星内部的大量水蒸汽和二氧化碳气体喷射出来。
这些水蒸汽凝集成的水可在火星上形成20米深的水，还能形成一人比较浓密的大气层。
由此证明，火星曾经有一个多水的温暖时期。
在此期间，火星上可能演化出微生物和类似地衣的低等植物。
物质科学
物质科学作为自然科学的基础，在实现其与生命科学的结合和发展能源科学、环境科学、信息科学、材料科学等改善人类生存条件和促进社会进步的关键科学技术而将继续发挥主要的基础作用。
近代以来的物理学研究发现，物质是由不同层次的微粒构成的，形成了一个阶梯系列。
二三百年前，人们发现物质由分子及原子组成。
到19世纪末，在科学实验基础上，科学家认识到原子由原子核和核外电子构成。
原子很小，直径约亿分之一厘米。
原子核大约是原子的10万分之一，电子则更小，大约是原子的亿分之一。
再进一步，人们发现原子核又是由质子和中子组成的。
到此，曾有人以为找到了构成物质的最小“砖块”。
然而，不久人们就发现了这种认识的局限性。
通过对宇宙射线的观察分析和高能加速器的实验，又发现了比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子以及组成质子、中子的夸克等，达到几百种之多。
其中，大部分在自然界中并不存在，而是在高能束流的轰击下才产生出来的。
微观粒子之间存在不同的相互作用。
根据这些相互作用力的特点，可把几百种粒子分为强子、轻子和传播子三类。
强子是指参与强相互作用的那些粒子，包括质子。
中子、π介子等。
强子有其内部结构，由夸克组成。
夸克有上、下、奇、粲、底、顶6类，每类有3种，共18种。
1995年，科学家用高能物理实验证实了顶夸克存在的预言，这是近年来关于物质结构研究的一项重大进展。
轻子与强作用无关，只参与弱力、电磁力和引力相互作用，如电子、中微子、μ子、τ子等。
1992年，我国北京正负电子对撞机成功实现了τ轻子质量的精确测定，取得了国际高能物理界瞩目的结果，使我国在该高科技领域占有一席之地。
微观世界作用力的传递是由粒子完成的。
这些粒子即称传播子，也属于基本粒子范畴，传递强力的称胶子，传播电磁力的是光子，弱力的传播子是中间玻色子W+、W+和Z0。
夸克、轻子是不是就是最基本的物质结构单元呢？
也不是。
已有许多迹象表明，它们也可能还存在内部结构。
对更微观层次的探究，是当代科学研究的最前沿之一。
1979年的诺贝尔物理奖得主格拉肖曾建议，假如一旦在实验上发现了比夸克更小的微粒，应命名为“毛子”，以纪念毛泽东关于物质无限可分的哲学思想。
这一设想虽尚未实现，但说明了科学家对辩证思维的重视。
人们会问：
这样无限分下去有什么意义呢？
一是哲学上的意义，证明世界的物质性和人类认识永无止境；
二是科学理论上的意义，丰富了人们关于物质世界的基本知识；
三是实践上的意义。
当年对原子核内部结构的探索，导致了核能的广泛利用和开发。
反物质有可能成为未来人类更强大的能源。
除这些以外；
研究超微观世界，需要庞大的高能实验设备，如对撞机、加速器等，这些设备的研制是高技术发展极强的推动力量，如我国自行设计、研制的北京正负电子对撞机，不仅取得了“精确测量τ轻子质量”这一高水平理论研究成果，而且，在对撞机的研制过程中，还带动了一大批高技术的发展。
信息科学
信息科学以需求为动力，向着最为广泛的应用领域渗透，并与科技、经济、文化相结合形成宏大的支柱产业。
信息的获取、传送、存储和处理将智能化、在符号推理、神经计算、人工生命等领域将取得突破。
回顾过去几千年，人类社会的进步很程度上依赖于基础设施的建设，住房、道路、农田水利、工厂等等都是人类社会发展不可缺少的基础。
如果我们的子孙后代回顾20世纪，他们一定会注意到信息高速公路这一全球基础设施的兴建。
信息高速公路是一种高速多媒体传输系统，它能在全球甚至更大的范围内传输声像图文化并茂的多媒体信息。
由美国首先提出的“信息高速公路”是指数字化大容量兴纤通信网络，用以把政府机构、企业、大学、科研机构和家庭的计算机联网。
一些国家和公司还提出利用卫星架设“空中信息高速公路”的设想。
1993初，美国新总统克林顿上台后不久就提出兴建“信息高速公路”计划，并授权成立了“信息基础设施特别小组”，由商务部长罗恩·
布朗领导，副总统戈尔、总统经济顾问委员会主席劳拉·
泰森以及一批经济、法律、技术专家和电信工业界代表组成。
特别小组的核心成员每星期都在白宫聚会讨论。
美国政府制定“信息高速公路”的政策基于5项原则：
其一，鼓励私人企业增加投资；
其二，促进并保护私人企业间的竞争；
其三，公众都有机会获得服务；
其四，避免在信息拥有方面出现“贫富不均”现象；
其五，维护技术设计上的灵活性。
半年后日本政府也决定建立全国超高速信息网。
1994年2月16日，欧洲委员会宣布将建立自己的“信息高速公路”。
新加坡的“信息高速公路”计划也已完成。
这些情况说明，第二次信息革命已拉开序幕。
自40年代中期计算机问世以来，在全世界范围内兴起的第一次信息革命对人类社会产生了空前的影响，信息产业应运而生，人类迈向信息社会。
到90年代初期，美国每年应用计算机完成的工作量相当于4000亿人一年的工作量。
以信息技术为基础的产业已占发达国家内生产总值的一半以上。
7在世界各国纷纷提出建信息高速公路之际，全世界拥有4亿台计算机和10亿部电话（1994年初），但是，全球范围内的信息传递仍不畅通。
美国计划在10-15年内建成的“信息高速公路”是指数字化大容量光纤通信网络，用以把政府机构、企业、大学、科研机构和家庭的计算机联网。
用90年代计算机网络传输33卷《大不列颠百科全书》需要13小时，而利用“信息高速公路”将只需4.7秒。
“信息高速公路”掀起的第二次信息革命的特征是网络化、多媒体化。
“信息高速公路”能传递数据、图像、声音等信息，其服务范围包括教育、卫生、娱乐、商业、金融和科研等，并将采取双向交流形式。
宇宙科学
宇宙科学大大深化了人们对宇宙结构、起源和演化的认识，为了解物质结构和相互作用提供了新的统一图景。
在地外生命等重大问题的研究中，天文学将更进一步与物理学交叉，并与许多领域紧密地联系在一起。
中国的载人飞船和空间站何时能够遨游太空？
在新千年即将来临之际，67岁的飞船总设计师戚发轫教授发表了谈话。
试验飞船发射入轨并圆满返回到预定区域，为我国在21世纪前十年内实现把宇航员送上太空并安全返回打下了坚实的基础。
21世纪，人类开发利用丰富的空间资源将成为必然。
空间资源主要有轨道资源、环境资源和物质资源。
开发利用空间资源，人必须要较长时间在空间环境工作，并要往返于地球和空间站之间。
载人飞船只是往返天地之间的运输工具，最终必须依赖长期在空间工作的空间站。
建立空间站，一要解决太空人出舱，二要解决飞船与空间站的相互交会对接等技术难题。
下个世纪，我国掌握空间站的关键技术应该不成问题。
认知科学
认知科学、心理学和行为科学的进展，为科技教育和经济社会发展带来了新的推动力。
支配着行动的是头脑+思考+心。
行动不仅反应思考、行动的体验，也变成一种经验的累积。
换言之，这即是人类行为基本的一种模式。
此亦为取得能力的基本程序。
借助“思考→行动→思考→行动”的反复，我们逐渐具备了能力，可能是自已至今都不曾思考但却已有的能力，而这也是人类成长进步的基本条件。
同理，在日常的行动，或者商务的行动中，我们反复接触各种信息、人与事，在这接触过程中，才慢慢培养成自已的思考能力与思考方式。
再健康的人，一旦被移送到周围全是病人的孤岛上时，也会立刻生病。
反之，在精神不振时，与健康有活力的人相处，时间就会帮助他恢复健康。
而我们也就是根据这种原理，不知不觉中在外在条件影响下形成思考方式，而有所行动。
孩童时代，似乎没有做不成的事。
一件问题能否解决，全在个人。
因此，要问的是，对你产生影响的因素是什么，于是你必须尽量把所有可能的负面因素排除掉。
经前工作只要认真就可以了，现在则并非如此，因为再怎么认真工作，如果不受对方青睐，还是没有用的。
商业就是竞争。
谁都无法向别人求援，而是必须用自己的力量站起来，用自己的力量往前行进。
因此，拥有进取的心是非常重要的。
你必须以更好、更积极、更能得心应手的方法思考，如此你才可能产生行动的革新。
脑力激荡是没有止境的。
持续不断的思考，立刻就会变成自己的知识与能量，而贮藏在自己的脑中、体内。
正因为你积极地反复思考，所以，过去不太可能的事，现在才变成有可能完成。
脑分左右侧是众所皆知的。
天生单脑发达的人大有人在。
但是人们经由更多单脑使用的方式，而使右脑发达的情形也不少。
脑是一种不可思议的“能源”。
特别是在做策划案时更是明显。
此时点子会一一出现，这是因脑的组织作用使然，没有人可以缺少它。
也就是说，因为反复而积极地使用脑袋来思考，所以能养成新的思考态度，也因积极地活用自己的脑部组织才有所谓“创造性的活动”。
信息技术
21世纪将是信息时代。
信息技术将在信息资源、信息处理和信息传递、信息处理和信息传递方面实现微电子与光电子结合。
智能计算与认知、脑科学结合等，其应用领域将更加广泛和多样给人类带来全新的工作方式和生活方式。
目前，INTERNET在中国的发展还处于起步阶段，21世纪，它的发展将呈现突飞猛进的态势。
在我国，因特网用户1999年从年初的210万增长到年终的600万至800万之间。
在这样一个增速下，有人预测明年将达到近千万。
到那时，整个行业就将发生质变。
这个质变就是因互联网渗透到各行各业而产生出大规模社会效益。
其实，互联网目前在国内已经开始慢慢向各个行业渗透。
从长远来看，这种渗透还将蔓延到零售业、生产制造业及传统商业领域。
今后，互联网经济将体现两大核心价值。
一是规模化、普及性。
对互联网的认识从少部分人的先行一步逐步普及进入百姓生活，成为百姓生活的一个重要组成部分。
另一个就是与传统行业的结合和渗透。
互联网事业将从单纯集中于IT产业，逐渐渗透到所有的传统行业，成为各行各业本身进步的一部分，甚至是助推器。
这两大核心是互联网价值的真正发挥，又是未来整个互联网发展的一个趋势。
新材料与制造技术
材料是人类社会文明大厦的基石，制造技术是人类社会进化的里程碑。
在新的世纪将发展功能化、复合化、智能化、环境友好、可再生材料，纳米材料与加工技术，表面技术、微细工艺、微机电系统、智能、柔性、虚拟制造体系等，使人类走向富裕。
人类自诞生以来，就与材料结下了不解之缘。
从原始社会的“石器时代”到逐步进化的“青铜器时代”，人类由蒙昧走向开化。
“铁器时代”的到来，将人类带入农业社会。
而“钢铁时代”的来临，又造就了工业社会的文明。
材料的发展，标志着人类社会的历史进程，材料作为生产力要素之一，直接进入生产过程，改变着人类社会的生产方式。
20世纪40年代以来所发生的新材料革命，正在影响和改变着我们的世界。
源源不断地涌现出的新材料在生产中的突出作用，更可印证科学技术是第一生产力的科学命题。
海洋技术
海洋能源、资源的开发与利用，海洋与全球变化、海洋环境与生态的研究是人类维持自身的生存与发展，拓展生存空间，充分利用地球上这块最后的资源丰富的宝地的最为切实可行的途径。
海洋开发，需要获取大范围、精确的海洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等。
要完成上述任务，需要一系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋导航等。
向海洋要淡水已成定势。
淡水资源奇缺的中东地区，数十年前就把海水淡化作为获取淡水资源的有效途径。
美国正在积极建造海水淡化厂，以满足人们目前与将来对淡水的需求。
全世界共有近8000座海水淡化厂，每天生产的淡水超过60亿米3。
最近，俄罗斯海洋学家探测查明，世界各大洋底部也拥有极为丰富的淡水资源，其蕴藏量约占海水总量的20％。
这为人类解决淡水危机展示了光明的前景。
深海是指深度超过6000米的海域。
世界上深度超过6000米的海沟有30多处，其中的20多处位于太平洋洋底，马里亚纳海沟的深度达11000米，是迄今为止发现的最深的海域。
深海探测，对于深海生态的研究和利用、深海矿物的开采以及深海地质结构的研究，均具有非常重要的意义。
美国是世界上最早进行深海研究和开发的国家，“阿尔文”号深潜器曾在水下4000米处发现了海洋生物群落，“杰逊”号机器人潜入到了6000米深处。
1960年，美国的“迪里雅斯特”号潜水器首次潜入世界大洋中最深的海沟――马里亚纳海沟，最大潜水深度为10916米。
能源技术
能源是人类社会活动的物质基础。
为考虑和不损害后代人的需要，将发展核能、洁净煤、可再生能源、燃烧电池、超导应用等技术，致力于能源的洁净、安全、高效、可再生性、可储存性和可分配性。
人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。
人类进化发展的过程，是一部不断向自然界索取能源的历史。
柴薪是人类第一代主体能源。
人类发现用火之后，首先用树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖，用草饲养牲畜，靠人力、畜力并利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活动。
从远古时代直至中世纪，在马车的低吟声中，人类渡过了悠长的农业文明时代。
空间技术
空间技术是当代发展最快的尖端技术之一。
研制洁净、高效的运载工具、应用卫星与卫星利用、三基网络、航天材料、空间环境以及探索发展空间产业，具有十分诿人的前景。
21世纪，人类探索宇宙、穿梭星际的梦想有望变成现实。
中国科学院院士闵桂荣，在新的千年到来之际，展望了人类空间探索的前景。
21世纪初的探测重点将是月球和火星，有可能建立月球和火星载人活动基地。
目前，国际上16个国家正在联手建立国际空间站，一旦建成，人们将不再满足地面旅游，而要到月球和火星上开开眼界。
因此，21世纪开发太空旅洲将成为旅游业的新项目。
下个世纪，外层空间的地位将更为重要，将会有更多的国家加入到这一领域。
要实现星际探索，离不开应用卫星、载人航天和深空探测等一系列关键技术。
30年来我国已成功研制、发射了40多颗卫星；
微重力科学研究目前外于世界先进行列，载人航天技术的研究也已经起步。
为适应航天事业的持续发展，预计在21世纪我国将考虑载入航天计划。
随着我国经济技术实力的不断壮大，在21世纪内参与星际探索计划应是有可能的。
环境保护技术
发展环境与生态规划、环境监测、绿色材料与工艺，用物理、化学、生物和生态等方法对环境综合治理，保护生物多样性等，在污染的困境中重建家园，是社会可持续发展必由之路。
现代科技造就了现代文明，也伴生了现代污染，“温室效应”正促使地球气候逐年变暖，两极的冰盖正慢慢融化，海平面日渐升高。
若不设法抑制这种倾向，未来数百年内，繁华的纽约、上海、香港等大都市将被海水淹没，沿海城镇有可能成为新的大陆架。
同时，大气环流与海洋水流亦会发生变化，使地球气候出现异常现象。
近年来，肆虐全球的“厄尔尼诺”和“拉尼娜”现象，已给人类带来了难以估量的损失。
地球需要“退烧”！
随着空间技术的发展，人们将眼睛聚焦到了太空，利用空间技术来控制和改变地球的气候，优化生态、造福人类，已成为宇航、环保专家们致力研究的课题。
当前，各种冷却地球的“太空气候工程”方案正纷纷出笼。
研究表明，要解决目前气候变暖的问题，只需要把照射到地球的太阳光遮挡掉3%即可。
要遮挡掉部分太阳光，一个方案就是在空间支撑起一把“太阳伞”。
根据粗略计算，伞面积需达2000平方千米左右，伞面材料可采用薄如蝉翼的金属薄膜或塑料薄膜。
庞大的伞面可由数万个单元拼接而成，每个单元均含有一个由计算机、制动器组成的自动控制机构，用来调节其位置和方向。
“太阳伞”依靠太阳光压与星球引力，定位于从地球至太阳距离的1%处的固定位置上。
在这个位置，任何物体相对于太阳，地球和月亮的距离始终保持不变，从而保证了“太阳伞”具有恒定的遮蔽效果。
被遮蔽的空域仅相当于蒙上一层隐约的薄雾，对人类生活、植物生长不会产生明显影响。
“造云”方案就是在空中制造“尘埃云”。
在与“太阳伞”方案相同的位置上，设法制造一片“尘埃云”，用它来遮挡太阳光。
“造云”用的尘埃可以取材于月球，将装有月球尘埃和一定量炸药的若干个圆筒发射到空间规定的位置上，之后引爆炸药，依靠炸药的爆炸力使尘埃扩散开来，形成一片永久性的、具有一定密度的“尘埃云”，用它来遮挡太阳光。
尘埃每年可能会流失一部分，可以定时、定量补充。
即使尘埃散落到地球，也不会超过常规的宇宙尘粒的流入量，不必担心会给地球构成危害。
为减少太空垃圾，专家们还提出了“织网”方案，即向太空发射多颗人造地球卫星，从卫星上发射激光，编织形成一道“激光网”，让太空中的对海面温度颇有影响的红外线的照射发生变化，以阻止气候变暖。
具体的实施办法是：
发射4颗人造卫星，每颗卫星上配置激光发射装置和激光反射镜，与其他卫星上的相应装置配合，互射激光、互相反射。
这样，当太空中的红外线通过时，会被与红外线能量相当的激光网阻挡，发生折射并照到海面上，海面温度受到影响后产生湿润的气流，兴云播雨，以此调节地球气候。
生物技术
生物技术直接关系到人类的切身利益，是21世纪高科技的佼佼者。
基因组计划、基因工程、细胞工程，酶工程、蛋白质工程等将带来农业、食品、医药和化学工业等革命，产生难以估量的社会效益和经济效益。
21世纪科学技术的核心是生命科学。
以基因技术为代表的生物工程技术在农业、工业、医药和疾病防治景，对人类的生活将产生重大影响。
基因技术对人类的贡献程度取决于对基因组的研究进展。
耗资数十亿美元的人类基因组计划将于2003年提前完成，为揭示人类的生长、衰老、疾病、死亡的秘密打下坚实的基础。
21世纪，人的寿命可望大大延长，许多“不治之症”将得到有效的预防和治疗。
如：
通过把病原体的抗原基因转入美味食物，人们享和它就能获得打防疫针才能达到的预防目。
对于爱美的妇女来说，利用研究衰老机理而生产的化妆品，将成为抢手货。
对其它物种的基因组研究也将给人类带来意想不到的病原微生物的基因组已完成全测序，为认识这些病原体的致病分子机制，从而为设计出诊断、预防和治疗的新方法开辟了无限的可能性。
随着转基因技术的进展，各种具有新的遗传特性的动植物将为我们提高作物的产量和质量，满足日益增长的食物需求；
提供有特殊性能的纤维和其他化工原料；
供应廉价的可再生的能源，解决全球环境污染问题……由于生物工程的发展，这一切都不再是幻想。
当前世界科技发展的几个热点问题
总的来说，当前世界科技发展呈现出全面推进的态势，无论广度和深度都同过去不可同日而语，但其热点主要集中在信息技术、生物技术、能源技术和纳米技术上。
第一，信息技术是走到了顶峰还是在孕育新突破？
在过去近半个世纪里，信息技术和信息产业对其他产业的渗透和带动，超出了几乎所有人的预想。
但是，近两年来大量信息类公司纷纷倒闭或陷入困境，信息产业增长速度急速下滑，又使人怀疑信息革命的高潮是否已经过去。
冷静地分析，目前信息产业走入困境，主要是由于过度炒作以及股市泡沫破灭后投资者出现信心危机所致。
就信息技术本身而言，现在还远未达到顶峰，而且正孕育着新的突破。
一是集成电路等微电子技术正在孕育新的突破。
研究显示，芯片集成晶体管数量每18个月左右增加一倍的摩尔定律已被突破，达到每12个月增加一倍。
如果用纳米电子学的方法代替光刻工艺，将使集成电路的集成度等指标在现有基础上提高上万倍。
二是计算机技术向多极化方向发展。
巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等构成计算机的家族世界，它的发展轨迹是谁占领了市场先机谁就成为主导产品。
三是通信技术与网络技术相互融合，构成了以无线保真技术为基础的无线联网。
它可以通过便携式电脑或其他运算器件随时随地高速联
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