SUJETS PROPOSES POUR 1996

MONTAGES

1‑ Illustration de quelques lois de la dynamique newtonienne.

2‑ Tension superficielle : mise en évidence, mesures.

3‑ Dynamique des fluides.

4‑ Thermométrie : capteurs, points fixes, étalonnages, mesures.

5‑ Transitions de phase.

6‑ Ondes acoustiques sonores et ultrasonores.

7‑ Formation des images par les instruments d'optique; champs, aberrations et résolution spatiale.

8‑ Cohérence spatiale et temporelle des ondes lumineuses. Longueurs de corrélation.

9‑ Diffraction des ondes lumineuses.

10‑ Spectrométrie optique; résolution.

I I‑ Interférences lumineuses.

12‑ Biréfringence naturelle et biréfringence induite. Applications.

13‑ Production et analyse d'une lumière polarisée.

14‑ Polarisation rotatoire.

15‑ Emission et absorption dans te domaine optique (visible, IR, UV; l'étude des sources est incluse, celle des photorécepteurs exclue).

16‑ Quelques propriétés et applications des lasers.

17‑ Photorécepteurs. Caractéristiques métrologiques (sensibilité spectrale, linéarité, résolution...). Applications.

18‑ Mesure des capacités électriques; propriétés des diélectriques.

19‑ Caractérisation des milieux magnétiques. Applications du ferromagnétisme.

20‑ Production et mesure de champs magnétiques de divers ordres de grandeur.

21‑ Auto‑induction : tension, énergie. Caractérisations et mesures. Applications.

22‑ Conversion de puissance alternatif­continu et continu‑alternatif.

23‑ Conversion de puissance électromécanique.

24‑ Etude et applications des transducteurs électromécaniques.

25‑ Caractérisation et mesure des tensions et des courants; on s'intéressera à des gammes étendues d'amplitude et de fréquence.

26‑ Etude et utilisation des capteurs.

27‑ Principe et mise en oeuvre des multimètres. On n'omettra pas d'illustrer le principe d'un voltmètre numérique.

28‑ Instrumentation numérique.

29‑ Matériaux semi‑conducteurs.

30‑ Exemples de modèles représentant un composant électronique ou un système électrique. Détermination des paramètres physiques. Utilisation.

31‑ Amplificateur opérationnel caractérisations; applications à la réalisation de fonctions électroniques.

32‑ Filtres en régime harmonique et en régime transitoire. Applications.

33‑ Amplification en électronique préamplification (amplification de tension) et amplification de sortie (étage de puissance et adaptation).

34‑ Télécommunication : mise en forme, transport et détection de l'information.

35‑ Optoélectronique.

36‑ Propagation libre et propagation guidée.

37‑ Oscillateurs quasisinusoïdaux et oscillateurs de relaxation.

38‑ Propriétés et applications des circuits logiques; fonctions combinatoires et fonctions séquentielles.

39‑ Mesure des fréquences temporelles (le domaine de l'optique est exclu). On n'omettra pas d'illustrer le principe d'un fréquencemètre numérique.

40‑ Acquisition, analyse et traitement de signaux.

41‑ Asservissement d'une grandeur physique stabilité, réponse, sensibilité.

42‑ Phénomènes de transport (transport de chaleur, de matière, de charges... )

43‑ Exemples de phénomènes non linéaires. Applications.

44‑ Mesure des longueurs d'onde.

45‑ Interférences dans différents domaines de la physique.

46‑ Ondes stationnaires.

47‑ Résonance.

48‑ Couplage des oscillateurs.

49‑ Impédances dans les différents domaines de la physique.

50‑ Mesure de quelques constantes physiques fondamentales

RAPPORT SUR LE MONTAGE DE PHYSIQUE

Le montage de physique est une épreuve de préparation, de présentation et d'exploitation d'expériences illustrant le sujet proposé. Ces expériences doivent former un ensemble cohérent couvrant si possible une large fraction du domaine étudié ; elles doivent comporter le plus souvent possible des mesures, mais de brèves expériences qualitatives bien conduites peuvent illustrer avec profit une présentation.

Les expériences présentées peuvent selon les cas correspondre à des objectifs différents, qu'il est nécessaire de bien identifier.

Pour vérifier une loi physique il est indispensable, en premier lieu, d'énoncer celle-ci clairement , il convient ensuite de s'assurer, en procédant par exemple à une variation adéquate de certains des paramètres qui entrent dans l'expression de la loi, que les résultats obtenus correspondent à la forme mathématique établie. Le simple appel à une formule de " régression ", sans examen critique des écarts entre les résultats et le modèle (examen qui impose de connaître un ordre de grandeur de l'incertitude obtenue), ne peut suffire.

Pour mesurer une constante physique, obtenir la valeur d'un paramètre caractéristique d'un système, d'un matériau, etc., en vue de comparer le résultat à une valeur issue de la littérature ou à une détermination a priori, il est indispensable de procéder à une analyse critique soignée du procédé de mesure et du mode opératoire mis en oeuvre : l'ordre de grandeur du résultat obtenu doit tout d'abord être validé , la recherche et la mise en évidence éventuelle d'effets systématiques doivent être effectuées , l'évaluation des biais induits permet d'obtenir un résultat corrigé , l'estimation de l'incertitude finale associée au résultat (qui combine les contributions relatives aux diverses causes d'erreur identifiées et la dispersion aléatoire des résultats), a priori indépendante de l'écart avec une valeur de référence, doit enfin précéder la comparaison avec la valeur tabulée : quel crédit accorder à une évaluation d'incertitude ajustée pour faire " coller aux prévisions " le résultat obtenu ?

Pour illustrer l'application d'un concept ou d'une propriété au domaine industriel ou dans la vie courante (type d'expériences trop souvent absent des montages), il est important de mettre en évidence clairement le principe sur lequel fonctionne le dispositif présenté, et de mentionner la nature des approximations ou des transpositions dans les valeurs des grandeurs qui ont dû être effectuées, une discussion quantitative critique des avantages et des inconvénients de la méthode exposée est bienvenue. Il serait enfin souhaitable que les applications présentées comme " modernes " soient encore effectivement utilisées...

Le nécessaire soin à apporter aux mesures et l'examen critique des résultats obtenus limitent le nombre d'expériences présentables dans le temps imparti. Or, il arrive trop souvent que le candidat prévoie un trop grand nombre de séries de mesures, conduisant à des montages réalisés à la hâte, à des mesures rapidement effectuées ne donnant pas les résultats espérés et à l'absence de toute exploitation des résultats.

Lors des mesures, le candidat aura constamment à l'esprit l'ordre de grandeur des résultats attendus. Une valeur de quelques milliteslas pour un champ créé dans l'entrefer d'un électroaimant dont les bobines dégagent visiblement de la chaleur doit surprendre. Il en est de même lorsque la longueur d'onde moyenne du doublet jaune du sodium est annoncée supérieure à 750 nm. Parfois c'est le principe de la méthode de mesure qui doit être remis en cause : les façades de certains ohmmètres ont manifestement trompé des candidats qui auraient dû toutefois s'étonner de trouver des valeurs de résistances de l'ordre le 0,001, Il faut savoir en effet que l'accès à d'aussi faibles résistances est délicat et que la méthode utilisée devrait alors être très spécifique.

Les schémas ne sont pas toujours dessinés au tableau. Cette négligence est d'autant plus regrettable que les montages correspondants sont parfois modifiés au cours de l'épreuve. Le jury rappelle encore une fois que l'obscurité complète dans la pièce ne doit être réalisée que pendant la stricte durée nécessaire à la présentation de certaines expériences.

Utilisation de l'ordinateur

Il apparaît que celle-ci est maintenant beaucoup plus importante et beaucoup plus judicieuse que par le passé. Il arrive encore malheureusement que des candidats passent un temps trop important, pour trop peu de profit, à découvrir ou à utiliser un logiciel quels connaissent mal et qui s'est révélé rétif mais dans l'ensemble, le recours à l'informatique s'est avéré positif En particulier, le spectromètre à fibre optique relié à l'ordinateur a souvent été utilisé de façon convaincante. Notons que les candidats peuvent faciliter la tâche du jury, parfois un peu éloigné des écrans, en utilisant des fenêtres ou des polices de plus grandes tailles et en imprimant les courbes obtenues en préparation.

En outre, pour pouvoir tirer pleinement profit de l'appareil de mesure qu'est l'ordinateur interfacé, il convient d'en connaître les caractéristiques essentielles : nombre de bits de quantification, fréquence d'échantillonnage, largeur et type de fenêtre pour la transformée de Fourier ... Maîtriser ces informations permet d'éviter de graves erreurs d'interprétation des résultats.

Soin à apporter aux mesures , critique des résultats obtenus

La partie la plus faible est souvent la critique de la validité des mesures. Trop fréquemment le candidat se contente de calculer l'écart relatif du résultat obtenu par rapport à une valeur souvent qualifiée de théorique ( en général calculée à partir d'une formule ou lue dans un ouvrage ) à laquelle une confiance supérieure est accordée. Si le résultat est de l'ordre de 5% au maximum, le candidat est soulagé et le manifeste par un jugement du type " on peut considérer que c'est relativement correct ". Une telle approche est évidemment inacceptable. Pendant la discussion, le jury essaie parfois de faire en sorte qu'une réflexion critique soit menée, mais il est souvent mal compris du candidat qui croit qu'on lui reproche le caractère médiocre de la précision obtenue.

Bien entendu, il faut faire en sorte que celle-ci soit la meilleure possible et les candidats ne sont pas irréprochables sur ce point. Mais il n'est pas vrai de dire qu'on ne peut n'en tirer de mesures grossières. Il suffit de songer aux travaux de Galilée pour s'en convaincrez s'agit surtout de savoir si le résultat expérimental est cohérent avec le modèle ou le résultat tabulé.

En outre, toute méthode de mesure n'est pas judicieuse et le principe de la mesure doit être discuté. Une fois l'expérience faite, satisfaisante ou non de ce point de vue, il est nécessaire de critiquer les résultats obtenus. Enfin, les erreurs systématiques ne sont que très rarement recherchées et les biais qu'elles entraînent ne sont évidemment que très rarement pris en compte.

Montanges d'optique

L'optique a connu au cours des dernières décennies une évolution profonde, Bien sûr, on continue à faire des images, de qualité d'ailleurs toujours croissante, à observer des interférences, de la diffraction et des phénomènes de polarisation manifestant la nature vectorielle de la vibration lumineuse. L'avènement de l'électrodynamique quantique s'est traduit notamment par la mise au point puis le perfectionnement des lasers. Des évolutions technologiques considérables ont également eu lieu ; elles ont introduit l'apparition de nouveaux matériaux et composants pour l'optique et l'optoélectronique.

Nous disposons maintenant d'une large gamme de détecteurs photoélectriques beaucoup plus fiables et sensibles que l'oeil. Les progrès de la micromécanique font d'autre part que l'on dispose de dispositifs permettant à coût modeste l'obtention d'une précision autrefois inaccessible. Sans exiger celle-ci le jury ne peut admettre de voir proliférer des supports bancals conduisant à des alignements grossiers et des dispositifs tournants présentant un jeu prohibitif Par ailleurs certains instruments ingénieux n'ont plus qu'un intérêt historique... Aujourd'hui, en laboratoire, lorsqu'il s'agit de pointer une direction de polarisation, on utilise plutôt un prisme de Glan ou un cube séparateur à couches diélectriques assorti à un détecteur photoélectrique sensible.

Montages d'électricité et d'électronique

En dehors de toute autre considération, les montages d'électricité correspondent trop souvent à des situations artificielles. Il serait en effet préférable d'illustrer les sujets proposés ou les fonctions envisagées dans des cas concrets et des situations physiques réelles. A titre d'exemple, il vaut mieux Écraser la tension et le courant d'alimentation (valeurs efficaces, fréquences, harmoniques, ... ) d'un moteur en charge, c'est-à-dire fonctionnant réellement et à qui on demande de fournir un travail mécanique, que de fabriquer de façon tout à fait arbitraire des grandeurs électriques que l'on analyse ensuite. On peut également utiliser des dispositifs d'électronique de puissance dont on sait qu'ils sont à l'origine d'une partie de la pollution des réseaux électriques, de plus en plus préoccupante de nos jours.

De même, dans les montages concernant l'amplification ou l'amplificateur opérationnel, il arrive souvent que le candidat analyse successivement plusieurs expériences n'ayant aucun rapport entre elles. Il vaut mieux partir d'un signal de petite puissance obtenu dans une expérience simple. La nécessité de la préamplification, de l'adaptation d'impédance et du filtrage, les problèmes que pose la présence de bruit, l'utilité de amplification de puissance seront mis en évidence, si besoin est in situ. Parmi les petits signaux de départ on peut évidemment penser à un signal radio émis par une station voisine. Les aléas des conditions de réception font qu'il est plus sûr de partir, par exemple, du courant traversant une photodiode éclairée par un signal lumineux éventuellement modulé ou de la tension aux bornes d'un micro (à electret par exemple) sur lequel arrive une onde sonore (voix, haut-parleur).

REMAROUES CONCERNANT DES MONTAGES PARTICULIERS

Les numéros sont ceux figurant dans la liste des montages 1999.

N' 1 : Le plus simple est de commencer par donner brièvement un énoncé correct des lois de Newton. Rappelons qu'il n'est pas indifférent de dire " système " ou " solide ". Par ailleurs, le principe des actions réciproques s'applique même lorsque les systèmes qui interagissent sont en mouvement relatif, mais il est vrai que la vérification directe en est un peu difficile. Parfois la vérification dans le cas statique a été présentée sous forme de deux dynamomètres accrochés l'un à l'autre dont on vérifie quels indiquent à peu près la même valeur Mais son intérêt dans le cadre de ce montage a échappé au jury.Le pendule pesant est un dispositif souvent étudié. On obtiendra des mesures beaucoup moins dispersées si on repéré la date du passage à la position d'équilibre (O = 0) plutôt que celle de l'élongation maximale.L'utilisation de l'ordinateur (éventuellement connecté à une table à numériser) permet d'éviter les opérations fastidieuses que sont les relevés de mesures sur la table à coussin d'air ou sur les oscillations du pendule.

N' 2 : La notion de longueur capillaire semble inconnue à la plupart des candidats. De simples considérations dimensionnelles permettent d'en retrouver l'expression.

N' 3 : Le candidat doit avoir à l'esprit les relations ou formules les plus importantes (Euler. Bernoulli, Navier-Stokes), Il convient également d'avoir une idée des domaines dans lesquels la résistance à l'avancement d'un fluide peut être représentée par une force d'intensité proportionnelle à la vitesse ou au carré de celle-ci.

NO 4 : Il est regrettable que des candidats ne tiennent pas compte des précisions apportées dans l'intitulé du montage, destinées à mieux le centrer sur les méthodes particulières à cette branche de la métrologie.

NO 5 : Le montage ne saurait se limiter à la détermination de quelques points du diagramme de phase d'un corps pur. Il est souhaitable de mesurer, par exemple, une chaleur latente. Lorsqu'il s'agit de la chaleur latente de vaporisation (enthalpie) Lv de l'azote liquide à la pression atmosphérique, le protocole souvent mis en oeuvre consiste à introduire une résistance chauffante dans le calorimètre Dewar, la détermination de l'énergie électrique consommée pendant un certain temps et la mesure de la masse du liquide vaporisé permettent de trouver l'enthalpie cherchée , même si on se place, le plus souvent à tort, dans l'hypothèse très défavorable des grandeurs corrélées, la détermination classique de l'incertitude (portant sur les mesures de masse, de temps, de tension et d'intensité) ne permet pas en général de justifier l'écart important entre la valeur de Lv ainsi déterminée et la valeur tabulée : le mode opératoire introduit en effet des erreurs systématiques qui doivent être prises en compte pour aboutir à un résultat corrigé . La manipulation est même un bel exemple pour illustrer ce sujet : l'hypothèse qui sous-tend la mesure est que toute l'énergie électrique consommée sert à vaporiser le liquide , or, en général, la résistance chauffante est loin de plonger toute entière dans celui-ci , à défaut de pouvoir résoudre totalement ce problème, on se placera dans les conditions les moins défavorables possibles ,

- si on n'y prête pas attention, la pesée du calorimètre contenant l'azote liquide prend en compte la poussée d'Archimède exercée sur la résistance chauffante qui varie évidemment avec le niveau du liquide

- la vaporisation a lieu même si on ne chauffe pas , la correction nécessaire est facile à déterminer. Elle peut être non négligeable.

Ce n'est qu'après avoir corrigé tous ces biais qu'on peut commencer à évaluer l'incertitude.

NO 7 : Le montage ne doit pas être limité à la présentation d'images avec aberrations il faut également montrer de " bonnes " images. Le jury apprécierait que les candidats se penchent de temps à autre sur un instrument d'optique réel.

NO 9 : Le passage de la diffraction de Fresnel à celle de Fraunhofer peut donner lieu à une estimation quantitative des conditions à remplir.

NO 10 : Le rôle des fentes d'entrée et de sortie est souvent plus important que celui de la diffraction.

N' 13 : Il est intéressant d'analyser la lumière produite dans des conditions non artificielles réflexion sur un miroir métallique, sur un dioptre en incidence quelconque...

N' 17 : Les thermopiles comportent souvent un filtre optique infrarouge qu'il convient de retirer avant utilisations. La liste des caractéristiques métrologiques citées dans le titre du montage pour certaines n'est qu'indicative : toutes ne sont pas à traiter impérativement, et il en existe d'autres....

N' 18 : On ne mesure pas de la même façon la capacité d'un condensateur si celui-ci est utilisé dans un domaine qui est pratiquement celui de l'électrostatique ou si la fréquence d'utilisation est de 50 kHz. La mesure au capacimètre n'est donc pas forcément la plus judicieuse. Par ailleurs, il ne suffit pas de choisir une expérience où intervient un condensateur pour en faire une méthode de mesure des capacités électriques : le modèle du multivibrateur astable à circuits logiques qui conduit à la formule T = 2RC in 3 contient des hypothèses trop grossières et ne permet d'obtenir qu'un ordre de grandeur, ce qui est évidemment d'autant plus regrettable que le montage est déjà sophistiqué. En revanche il peut être utilisé comme principe d'une mesure de comparaison. De même, il est peu satisfaisant de déterminer une capacité à partir de la formule LC omega, = 1 en se plaçant à la résonance d'un circuit RLC série et en supposant connues les valeurs de C et de L , la valeur de celle-ci varie avec la fréquence, beaucoup plus en général que celle de la capacité, si bien qu'il est plus convaincant d'utiliser cette expérience pour la détermination de l'inductance d'une bobine. Les candidats peuvent également se demander pourquoi les boîtes de condensateurs de précision comportent trois bornes.

N" 18, 21 et 47 : La résonance électrique (le plus souvent RLC série) est fréquemment étudiée. Le pointé de la fréquence de résonance est souvent mal fait (voir rapport 1998). En outre, le choix des composants est parfois curieux : on prend des boîtes à décades pour la résistance et le condensateur, pour lesquels les caractéristiques métrologiques essentielles sont disponibles, alors qu'on se contente d'un élément de transformateur démontable pour la bobine. Cette dernière n'est en général pas adaptée pour la fréquence utilisée , les caractéristiques données sont vagues et les conditions dans lesquelles elles sont obtenues ne sont pas précisées.

N' 21 : Il est préférable de ne pas s'attarder trop longtemps sur les expériences qualitatives préliminaires de mise en évidence du phénomène. En revanche, du temps peut être utilement consacré à effectuer des mesures soignées de l'impédance associée aux bobines. Il convient de rappeler à ce s 'et que, pour les montages en pont (Maxwell, Sauter,...), la sensibilité obtenue n'est optimale que si une réflexion préalable a été menée. N'importe quelle combinaison d'impédances vérifiant Zi.Z1, Z2,Z4 ne répond évidemment pas de façon correcte au problème posé.

NI 24 : L'étude de l'impédance électrique ne présente en soi que peu d'intérêt. La détermination de l'efficacité d'un haut-parleur semble nettement plus pertinente. De même, un transducteur piézoélectrique ne se résume pas à une impédance ou à une fréquence de résonance : il faut caractériser le couplage entre les grandeurs électrique et mécanique.

NI 28 Le jury a assisté à d'intéressants montages sur cet intitulé nouveau.

NI 29 Il faut distinguer les propriétés des semi-conducteurs intrinsèques de celles des extrinsèques.

NI 30 : Ce montage n'a d'intérêt que si les paramètres du système que mesure le candidat sont nus en relation avec l'utilisation de ce système.

NI 31 : Les propriétés du composant qu'est l'amplificateur opérationnel ne sont pas suffisamment distinguées de celles du montage, c'est-à-dire de l'amplificateur opérationnel " habillé ".

Certaines des caractéristiques de l'amplificateur opérationnel sont difficiles à mesurer : courants de polarisation, gain en boucle ouverte, impédance d'entrée. Il faut le savoir et ne pas leur consacrer trop de temps.

Enfin, il est préférable d'illustrer les propriétés de l'amplificateur opérationnel sur un montage ayant un intérêt réel plutôt que de placer successivement dans différentes situations artificielles n'ayant aucun rapport entre elles.

NI 32 : Il vaut mieux s'intéresser à un nombre restreint de filtres ou de types de filtres. L'étude complète du diagramme de Bode d'un filtre n'a d'intérêt que si elle permet la détermination des paramètres du modèle décrivant le comportement de ce filtre. On peut alors envisager de comparer aux prévisions la réponse obtenue lorsqu'on attaque ce filtre par un signal non harmonique (carré ... ). Les régimes harmonique et transitoire sont souvent étudiés séparément sans que le lien entre ces deux régimes soit envisagé. Par ailleurs le montage n'est pas obligatoirement limité à l'électronique.

NI 32, 47 et 48 : Rappelons qu'une fréquence de résonance n'est pas nécessairement égale à la pseudo-fréquence d'un mode propre.

NI 34 : Plusieurs candidats ont confondu filtrage et démodulation d'amplitude. Les deux fonctions ont des points communs (en plus, un filtrage est souvent nécessaire après détection) mais présentent des différences. En effet, le filtrage correspond à des phénomènes linéaires: si on envoie la somme de 2 signaux de fréquences différentes sur un filtre, celui-ci réagit en donnant la somme des réponses qu'il fournierait s'il recevait séparément chaque signal , il est entendu que le rapport sortie/entrée varie avec la fréquence. Au contraire, la démodulation n'est pas un phénomène linéaire: la porteuse et le signal modulant ne sont pas additionnés mais le plus souvent multipliés. La fréquence la plus faible est en quelque sorte mieux cachée. La démodulation nécessite une diode de détection qui est un composant non linéaire; c'est une opération plus complexe que le filtrage. Nombreux sont les cas où elle n'a pas pu être réalisée. La démodulation synchrone est trop souvent absente. Le problème de la récupération de la porteuse n'a jamais été évoqué.

N' 35 et 36 : L'intérêt de principe d'utiliser des signaux optiques pour transmettre de l'information, codée ou non, est inconnu de beaucoup de candidats.

N' 36 : Les ondes centimétriques ne sont pas seulement dans le domaine électrique, il en existe aussi en mécanique et notamment en acoustique.

N' 37 : La mise en évidence du caractère imparfaitement sinusoïdal des oscillations, obtenues par exemple à l'aide d'un dispositif à résistance négative est rarement faite, on pourra utiliser un analyseur de spectre ou visualiser la tension aux bornes de la bobine plutôt qu'aux armatures du condensateur l'intensité instantanée contient des harmoniques que la dérivation renforce et que l'intégration atténue par rapport au fondamental. Une réflexion sur l'amplitude obtenue s'impose également.

N' 40 : Au moins pour une partie du montage, le signal que l'on étudie devrait être relié à une grandeur que l'on cherche à mesurer et non fournie par un générateur BF.

No 43 : Le montage se limite trop souvent à l'étude d'une suite de phénomènes (comportement d'une diode de redressement, oscillations d'un pendule pesant) présentés comme non-linéaires, sans que le thème central ne soit dégagé. En outre, l'écart de la valeur de la période d'un pendule pesant aux valeurs approchées habituelles (approximation harmonique T = 2xxxxx ou approximation du pendule simple aux petites oscillations T = 2xxxx ) est très faible. Pour mettre en évidence cet écart. les mesures doivent être très soignées et leur validité critiquée.

N' 45 à 49 : Nombreuses sont les confusions sur les notions de base que sont la résonance. les ondes stationnaires et les modes propres.

N' 49 : L'expression " différents domaines " dans le titre du montage incite bien évidemment à ne pas se contenter d'exemples pris dans le domaine électrique.

NI 48 : L'étude du couplage d'oscillateurs identiques ne permet pas de couvrir la totalité du sujet.

Date de création : 22/02/2006 @ 16:53
Dernière modification : 22/02/2006 @ 16:53
Catégorie : Rapports de Jury
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