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第讲光的波动性电磁波和相对论4高考题源于教材重做教材经典习题过好双基关
一、光的干涉、衍射和偏振
1.光的干涉⑴定义在两列光波叠加的区域,某些区域相互加强,出现亮条纹,某些区域相互减弱,出现喳条纹,且加强区域和减弱区域相互间隔的现象.2条件两束光的频率相同、相位差恒定.⑶双缝干涉图样特点单色光照射时形成明暗相间的等间距的干涉条纹;白光照射时,中央为白色亮条纹,其余为彩色条纹.
2.光的衍射发生明显衍射的条件只有当障碍物的尺寸与光的波长相差不多,甚至比光的波长还小的时候,衍射现象才会明显.
3.光的偏振⑴自然光包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同.⑵偏振光在垂直于光的传播方向的平面上,只沿着某个特定的方向振动的光.3偏振光的形成
①让自然光通过偏振片形成偏振光.
②让自然光在两种介质的界面发生反射和折射,反射光和折射光可以成为部分偏振光或完全偏振光.4光的偏振现象说明光是一种横波.
二、电磁波和相对论
1.电磁场、电磁波、电磁波谱⑴麦克斯韦电磁场理论变化的磁场能够在周围空间产生电场,变化的电场能够在周围空间产生磁场.C.将偏振片8转动一个角度,使得处光强度最强,偏振片3转过的角度等于aD.将偏振片A转动一个角度,使得处光强度最强,偏振片A转过的角度等于答案1把自然光变成偏振光2横波3ACD
4.让太阳光垂直照射一块遮光板,板上有一个可以自由收缩的三角形孔,当此三角形孔缓慢缩小直至完全闭合时,在孔后的屏上将先后出现A.由大变小的三角形光斑,直至光斑消失B.由大变小的三角形光斑、明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失C.由大变小的三角形光斑,明暗相间的条纹,直至黑白色条纹消失D.由大变小的三角形光斑、圆形光斑、明暗相间的彩色条纹,直至条纹消失答案D解析当孔足够大时,由于光的直线传播,所以屏上首先出现的是三角形光斑随着孔的继续缩小,出现小孔成像,成的是太阳的像,故为小圆形光斑当尺寸与光波波长相当时,出现明暗相间的彩色条纹最后随孔的闭合而全部消失,所以只有D正确命题点三电磁波与相对论
1.对麦克斯韦电磁场理论的理解均匀变化的磁场产生恒定电场非均变化的匀变化的磁场产生变化的电场磁场产周期性振荡的磁场产生同频率振荡麦克生电场的电场斯韦电磁均匀变化的电场产生恒定磁疡非均场理匀变化的电场产生变化的磁场变化的论周期性振荡的电场产生同频率振荡电场产的磁场生磁场
2.对电磁波的理解1电磁波是横波.电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直,如图8所示.2电磁波与机械波的比较图8名称电磁波机械波项目产生由周期性变化的电场、磁场产生由质点的振动产生波的特点纵波或横波横波在空气中不大(如声波波速在空气中一般波速在真空中等于光速()C=3X18M/S为340m/s)是否需要介质不需要介质(在真空中仍可传播)必须有介质(真空中不能传播)能量传播电磁能机械能【例3】(2016•全国H・34(l))关于电磁波,下列说法正确的是()A.电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关B.周期性变化的电场和磁场可以相互激发,形成电磁波C.电磁波在真空中自由传播时,其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直D.利用电磁波传递信号可以实现无线通信,但电磁波不能通过电缆、光缆传输E.电磁波可以由电磁振荡产生,若波源的电磁振荡停止,空间的电磁波随即消失答案ABC解析电磁波在真空中传播的速度确实等于光速,且与频率无关这是因为电磁波是周期性变化的电场和磁场互相激发得到的当电场或磁场发生变化时,它们会激发出新的电磁波,从而形成一种周期性的变化电磁波的传播方向与电场方向和磁场方向均垂直这是因为电磁波是由电场和磁场的相互作用产生的,而电场和磁场都是空间中的矢量场,它们的分量相互垂直因此,当电磁波传播时,其传播方向总是与电场和磁场的分量都垂直光是一种电磁波,它可以通过光导纤维进行传播这是因为光导纤维是一种能够传导光信号的特殊材料,其内部充满了许多微小的光纤,可以有效地传输光信号电磁振荡停止后,电磁波仍会在介质或真空中继续传播这是因为电磁波是一种波动现象,它的能量可以在介质或真空中传播即使电磁振荡停止了,电磁波仍然会继续传播,只是传播的速度会变慢题组阶梯突破
5.(2016•北京理综・14)下列说法正确的是()A.电磁波在真空中以光速c传播B.在空气中传播的声波是横波C.声波只能在空气中传播D.光需要介质才能传播答案A
6.(2016・天津理综・1)如图9所示,我国成图9功研发的反隐身先进米波雷达堪称隐身飞机的克星,它标志着我国雷达研究又创新的里程碑,米波雷达发射无线电波的波长在1〜10m范围内,则对该无线电波的判断正确的是()A.米波的频率比厘米波频率高B.和机械波一样须靠介质传播C.同光波一样会发生反射现象D.不可能产生干涉和衍射现象答案c解析根据f=c/X可知,电磁波的波长越大,频率越低因此,米波的频率比厘米波的频率低,选项A错误无线电波的传播不需要介质,选项B错误无线电波同光波一样会发生反射现象,选项C正确干涉和衍射是波特有的现象,故无线电波也能发生干涉和衍射现象,选项D错误【解析】⑴两飞船
八、B沿同一直线同向飞行,相对地面的速度均为v,则它们之间的相对速度为${2v)$,当两飞船间相距为L时,由平行四边形定则知,A测得两飞船间的距离大于L.⑵当B向A发出一光信号,A测得该信号的速度为${c-v}$.故答案为
(1)大于;${
(2)\,c-v}$v v【答案】图10答案大于C(或光速)解析狭义相对论的两个基本原理之一就是光速不变原理,因此A测得信号的速度仍等于或光速,以地面为参考系,在运动方向有尺缩效应现象,而8相对A是静止,没有尺缩效应现象,则A测得两飞船距离应大于L限时训练练规范练速度课时作业题组1对干涉现象的理解
1.关于光学镜头增透膜,以下说法中正确的是()A.增透膜是为了减少光的反射损失,增加透射光的强度B.增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的C.增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的D.因为增透膜的厚度一般适合绿光反射时相互抵消,红光、紫光的反射不能完全抵消,所以涂有增透膜的镜头呈淡紫色E.涂有增透膜的镜头,进入的光线全部相互抵消,因此这种镜头的成像效果较好答案ACD2,把一平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上,一端用薄片垫起,构成空气劈尖,让单色光从上方射入,如图1所示.这时可以看到明暗相间的条纹.下面关于条纹的说法中正确的是()壮薄片图1A.干涉条纹是光在空气尖劈膜的前后两表面反射形成的两列光波叠加的结果B.干涉条纹中的暗条纹是上述两列反射光的波谷与波谷叠加的结果C.将上玻璃板平行上移,条纹逆向劈尖移动D.观察薄膜干涉条纹时,应在入射光的另一侧答案A题组2衍射和偏振现象
3.光的偏振现象说明光是横波.下列现象中不能反映光的偏振特性的是()A.一束自然光相继通过两个偏振片,以光束为轴旋转其中一个偏振片,透射光的强度发生变化B.一束自然光入射到两种介质的分界面上,当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是90°时,反射光是偏振光C.日落时分,拍摄水面下的景物,在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰D.通过手指间的缝隙观察日光灯,可以看到彩色条纹答案D解析在垂直于传播方向的平面上,沿着某个特定方向振动的光是偏振光,A、B选项反映了光的偏振特性,C是偏振现象的应用,D是光的衍射现象.
4.可以通过激光监控来精确测量高强度纤维细丝的粗细如图2所示,当激光束通过细丝时,如果产生的条纹与通过遮光板同样宽度的窄缝产生的条纹规律相同,则说明细丝的粗细变化观察光束经过细丝后在光屏上产生的条纹,即可判断细丝的粗细变化情况图2A.这里应用的是光的衍射现象B.这里应用的是光的干涉现象C.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细答案AD解析由于是激光束越过细丝即绕过障碍物,所以是光的衍射现象,当抽制的丝变细的时候,丝的直径较接近激光的波长,条纹间距就大,A、D对.【解析】当用激光照射直径小于激光束的不透明圆盘时,在圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑,这是光的衍射现象,这一实验支持了光的波动说.【答案】衍射;波动说图3答案衍射波动说解析圆盘后屏上的阴影中心出现了一个亮斑,一定不是光的直线传播现象造成的,是光在传播过程中绕过障碍物形成的现象,属于光的衍射,衍射是波的特性,所以这一实验支持了光的波动说.题组3电磁波和相对论
6.一艘太空飞船静止时的长度为30m,他以
0.6c(c为光速)的速度沿长度方向飞行越过地球,下列说法正确的是()A.飞船上的观测者测得该飞船的长度小于30m
8.地球上的观测者测得该飞船的长度小于30mC.飞船上的观测者测得地球上发来的光信号速度小于cD.地球上的观测者测得飞船上发来的光信号速度小于c答案B解析飞船上的观测者测得飞船的长度不变,仍为30m,由/=/()</()可知,地球上的观测者测得该飞船的长度小于30m,A错,B对;由光速不变原理可知,C、D错误.
9.关于麦克斯韦的电磁场理论,下列说法正确的是()A.稳定的电场产生稳定的磁场10均匀变化的电场产生均匀变化的磁场,均匀变化的磁场产生均匀变化的电场C.变化的电场产生的磁场一定是变化的D.振荡的电场在周围空间产生的磁场也是振荡的答案D麦克斯韦电磁场理论的核心观点是当变化的磁场或电场在空间中传播时,它们能够激发出相应的电场或磁场具体来说,如果磁场或电场的变化是均匀的,那么产生的电场或磁场将是稳定的;反之,如果磁场或电场的变化是振荡的,那么产生的电场或磁场也将是振荡的基于这一理论,我们可以推断,只有选项D描述的情况符合麦克斯韦电磁场理论的正确解释
8.关于电磁波及其应用,下列说法正确的是()A.麦克斯韦首先通过实验证实了电磁波的存在
8.电磁波是横波且能够发生干涉和衍射现象C.电磁波的接收要经过调谐和调制两个过程D.微波能使食物中的水分子的热运动加剧从而实现加热的目的答案BD
9.以下说法正确的是()A.相对论认为空间和时间与物质的运动状态有关B.光的偏振现象说明光是一种纵波C.在光的双缝干涉实验中,若仅将入射光由绿光变为红光,则条纹间距变宽D.赫兹用实验证实了电磁波的存在答案ACD解析相对论指出,时间和空间与物质的运动状态紧密相关因此,选项A正确,因为它正确地说明了这一点偏振现象是横波的一个特征,光的偏振现象表明光是一种横波,所以选项B错误由Ax=人知,当入射光从绿光变为红光时,条纹间距会扩大,因此选项C正确麦克斯韦预言了电磁波的存在,而赫兹通过实验证实了这一预言,故选项D正确综上所述,正确的选项是A、C和D
10.以下物理学知识的相关叙述,其中正确的是()A.用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的偏振B.麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验证实了电磁波的存在C.交警通过发射超声波测量车速是利用了波的干涉原理D.狭义相对论认为,在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的答案BD解析用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度是利用了光的干涉,A错误;麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹用实验证实了电磁波的存在,故B正确;交警通过发射超声波测量车速是利用了多普勒效应,C错误;根据相对性原理,在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式,即一切物理规律都是相同的,故D正确.2电磁波
①电磁场在空间由近及远的传播,形成电磁波.
②电磁波的传播不需要介质,可在真空中传播,在真空中不同频率的电磁波传播速度相回都等于光速.
③不同频率的电磁波,在同一介质中传播,其速度是不同的,频率越高,波速越小.
④=,;/是电磁波的频率.⑶电磁波的发射
①发射条件开放电路和高频振荡信号,所以要对传输信号进行调制调幅或调频.
②调制方式a.调幅使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变.b.调频使高频电磁波的频率随信号的强弱而变.⑷无线电波的接收
①当接收电路的固有频率跟接收到无线电波的频率相笠时,激起的振荡电流最强,这就是电谐振现象.
②使接收电路产生电谐振的过程叫做遇遁,能够调谐的接收电路叫做谡谐电路.
③从经过调制的高频振荡中“检”出调制信号的过程,叫做检波.检波是调制的逆过程,也叫做解调.⑸电磁波谱按照电磁波的频率或遐氐的大小顺序把它们排列成谱叫做电磁波谱.按波长由长到短排列的电磁波谱为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、y射线.
2.相对论⑴狭义相对论的两个基本假设
①狭义相对性原理在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的.
②光速不变原理真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,光速和光源、观测者间的相对运动没有关系.2质速关系
①物体的质量随物体速度的增加而增大,物体以速度v运动时的质量m与静止时的质量mo之间有如下关系m=.
②物体运动时的质量总要大王静止时的质量加
0.3质能关系基础题组自测用用表示物体的质量,£表示它具有的能量,则爱因斯坦质能方程为E=建.
1.判断下列说法是否正确.
(1)光的颜色由光的频率决定.(V)
(2)只有频率相同的两列光波才有可能产生稳定的干涉.(V)
(3)在双缝干涉实验中,双缝的作用是使白光变成单色光.(X)
(4)阳光下茂密的树荫中地面上圆形亮斑是光的衍射形成的.(X)
(5)自然光是偏振光.(X)
(6)电场周围一定存在磁场,磁场周围一定存在电场.(X)⑺无线电波不能发生干涉和衍射现象.(X)
(8)波长不同的电磁波在本质上完全不同.(X)⑼真空中的光速在不同惯性参考系中是不同的.(X)
2.下列属于光的干涉现象的是()答案BCIXL单色光样板解析图A属于单缝衍射,图B属于薄膜干涉,图C属于薄膜干涉,图D属于白光的色散,故属f4于光的干涉现象的是B、C.薄片A B被检查平面
3.关于生活中遇到的各种波,下列说法正确的是()A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息B.手机在通话时涉及的波既有电磁波又有声波C.太阳光中的可见光和医院“B超”中的超声波传播速度相同D.遥控器发出的红外线波长和医院“CT”中的X射线波长相同答案B解析电磁波和声波都是传播信息的方式,例如人们通过语言交流然而,选项A错误,因为太阳光中的可见光属于电磁波,而B超中的超声波则属于机械波,它们的传播速度不同此外,遥控器发出的红外线波长比X射线波长大得多,因此选项D也是错误的所以,正确答案是B
4.关于狭义相对论的说法,不正确的是()A.狭义相对论认为在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的B.狭义相对论认为在一切惯性参考系中,光在真空中的速度都等于c,与光源的运动无关C.狭义相对论只涉及无加速运动的惯性系D.狭义相对论在任何情况下都适用答案D狭义相对论的核心观点在于,无论在哪个惯性参考系中,物理规律都是相同的具体来说,这一理论认为
1.在不同的惯性参考系中,所有物理现象和定律都保持一致因此,选项A正确
2.在一切惯性参考系中,光的速度保持不变,即光速为常数c(光速不变原理)这一原理与光源的运动状态无关,所以选项B正确
3.狭义相对论仅适用于无加速度的惯性参考系这意味着,如果一个参考系有加速度,那么这个参考系就不是完全的惯性参考系,因此选项C正确,而选项D错误命题点一光的干涉现象
1.双缝干涉⑴光能够发生干涉的条件两光的频率相同,振动步调相同.⑵双缝干涉形成的条纹是等间距的,两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比,即⑶用白光照射双缝时,形成的干涉条纹的特点中央为白条纹,两侧为彩色条纹.
2.亮暗条纹的判断方法
(1)如图1所示,光源与、S2发出的光到屏上某点的路程差-2—门=以(攵=0」,2…)时,光屏上出现亮条纹.p—4-匕三三二二二二工p TS2图1⑵光的路程差-2—门=2%+1攵=0,1,2…时,光屏上出现暗条纹.
3.条纹间距Ax=A,其中/是双缝到光屏的距离,d是双缝间的距离,2是光波的波长.
4.薄膜干涉⑴形成如图2所示,竖直的肥皂薄膜,由于重力的作用,形成上薄下厚的楔形.光照射到薄膜上时,在膜的前表面A4和后表面分别反射回来,形成两列频率相同的光波,并且叠加.图22亮、暗条纹的判断
①在外、P2处,两个表面反射回来的两列光波的路程差V等于波长的整数倍,即加=加/2=1,2,3…,薄膜上出现亮条纹.
②在处,两列反射回来的光波的路程差△一等于半波长的奇数倍,即Ar=2M+1/1=0,123…,薄膜上出现暗条纹.⑶薄膜干涉的应用干涉法检查平面如图3所示,两板之间形成一楔形空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检查平面是平整光滑的,我们会观察到平行且等间距的明暗相间的条纹;若被检查平面不平整,则干涉条纹发生弯曲.被检查平面图3【例1】如图4所示,在双缝干涉实验中,Si和S2为双缝,尸是光屏上的一点,已知P点与S和S2距离之差为
2.11一6m,今分别用A、8两种单色光在空气中做双缝干涉实验,问P点是亮条纹还是暗条纹$2图41已知A光在折射率为〃=
1.5的介质中波长为4X10-7m;2已知5光在某种介质中波长为
3.15X10-7m,当B光从这种介质射向空气时,临界角为37°sin37°=
0.6,cos37°=
0.8;⑶若用A光照射时,把其中一条缝遮住,试分析光屏上能观察到的现象.答案⑴暗条纹2亮条纹3见解析解析1设A光在空气中波长为小,在介质中波长为七,由〃==得21=^2=
1.5X4X10_7m=6X10-7m根据路程差Ax=
2.1X10-6m所以Ni===
3.5由此可知,从Si和S2到尸点的路程差Ar是波长九的
3.5倍,所以尸点为暗条纹.⑵根据临界角与折射率的关系sin=得n==由此可知,8光在空气中波长於为几3=位介=x
3.15X10-7m=
5.25X10-7m所以N===4可见,用3光做光源,P点为亮条纹.3光屏上仍出现明暗相间的条纹,但中央条纹最宽最亮,两边条纹变窄变暗.题组阶梯突破
1.劈尖干涉是一种薄膜干涉,其装置如图5甲所示,将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃上,在一端夹入两张纸片,从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射后,从上往下看到的干涉条纹如图乙所示,干涉条纹有如下特点图5⑴任意一条亮条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等;⑵任意相邻亮条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图甲的装置中抽去一张纸片,则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后,从上往下观察到的干涉条纹()A.变疏B.变密C.不变D.消失答案A解析如图所示,若抽去一张纸片,则三角截面空气层的倾角变小,则干涉条纹变疏,A正确.亮条纹亮条纹亮条纹
2.一束白光在真空中通过双缝后在屏上观察到的干涉条纹,除中央白色亮条纹外,两侧还有彩色条纹,其原因是()A.各色光的波长不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同B.各色光的速度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同C.各色光的强度不同,因而各色光分别产生的干涉条纹的间距不同D.上述说法都不正确答案A解析白光包含各种颜色的光,它们的波长不同,在相同条件下做双缝干涉实验时,它们的干涉条纹间距不同,所以在中央亮条纹两侧出现彩色条纹,A正确.命题点二光的衍射和偏振现象
1.对光的衍射的理解⑴干涉和衍射是波的特征,波长越长,干涉和衍射现象越明显.在任何情况下都可以发生衍射现象,只是明显与不明显的差别.
(2)衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况,只有在光的波长比障碍物小得多时,光才可以看做是沿直线传播的.
2.单缝衍射与双缝干涉的比较双缝干涉单缝衍射条纹宽度条纹宽度不等,最宽条纹宽度相等不同条纹间距各相邻条纹间距不等各相邻条纹等间距点条纹最亮,两边变暗条纹清晰,亮度基本相等亮度情况干涉、衍射都是波特有的现象,属于波的叠加;干涉、衍射都有明暗相间的相同点条纹
3.光的干涉和衍射的本质光的干涉和衍射都属于光的叠加,从本质上看,干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理,都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波,在屏上叠加形成的.
4.光的偏振1自然光与偏振光的比较自然光非偏振光偏振光类别光的来源从普通光源发出的光自然光通过起偏器后的光在垂直于光的传播方向的平面内,光振动沿任光的振动在垂直于光的传播方向的平面内,意方向,且沿各个方向振动的光的强度相同方向光振动沿特定方向⑵偏振光的应用加偏振滤光片的照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等.在下面的4幅图中,从左到右排列的亮条纹颜色依次是红、蓝、黄、紫IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII1234图6A.红黄蓝紫B.红紫蓝黄C.蓝紫红黄D.蓝黄红紫答案B解析双缝干涉条纹是等间距的,而单缝衍射条纹除中央亮条纹最宽、最亮之外,两侧条纹亮度、宽度都逐渐减小,因此
1、3为双缝干涉条纹,
2、4为单缝衍射条纹.双缝干涉条纹的宽度(即相邻亮、暗条纹间距)Ax=2,红光波长比蓝光波长长,则红光干涉条纹间距大于蓝光干涉条纹间距,即
1、3分别对应于红光和蓝光.而在单缝衍射中,当单缝宽度一定时,波长越长,衍射越明显,即中央条纹越宽越亮,
2、4分别对应于紫光和黄光.综上所述,
1、
2、
3、4四个图中亮条纹的颜色依次是红、紫、蓝、黄,B正确.厂I方法感悟I--------------------------------------]区分双缝干涉条纹与单缝衍射条纹的方法
1.根据条纹的宽度区分双缝干涉条纹的宽度相同,而单缝衍射的条纹中央亮条纹最宽,两侧的亮条纹逐渐变窄.
2.根据条纹的间距区分双缝干涉条纹的间距是相等的,而单缝衍射的条纹越向两侧条纹间距越窄.
3.根据亮条纹的亮度区分双缝干涉条纹,从中央亮条纹往两侧亮度变化很小,而单缝衍射条纹中央亮条纹最亮,两侧的亮条纹逐渐变暗.题组阶梯突破
3.奶粉中碳水化合物(糖)的含量是一个重要的指标,可以通过“旋光法”来测量糖溶液的浓度,从而确定其含糖量当偏振光通过糖的水溶液时,它的偏振方向会相对于传播方向向左或向右旋转一个角度a,这个角度称为“旋光度”这个值只与糖溶液的浓度有关,通过将测量得到的旋光度与标准值进行比较,就可以准确地确定被测样品的含糖量如图7所示,S是自然光源,A和B是偏振片,当转动B使到达0处的光最强时,然后将被测样品P置于A和B之间S AP B自然光源偏振片被测样品偏振片图7
(1)偏振片A的作用是__________________________________________________⑵偏振现象证明了光是一种.
(3)以下说法中正确的是()A.到达处光的强度会明显减弱B.到达处光的强度不会明显减弱。
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