行程模型 · 方法讲解

平均速度

先合计路程和时间,再相除;平均的权重是时间。

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01

同样两种速度,为什么有三个平均值?

一辆车分两段行驶,各段匀速,先30千米/时,后60千米/时。比较:①每段60千米;②每段1小时;③每段60千米,另停留45分钟。分别求所述全程(含指定停留)的平均速度。

第1步 / 共4步:等距离。两段各60千米,先30千米/时,后60千米/时。

下一步计算每段时间,再合计并求平均。

对应左侧当前行程

待计算

先确认每段给了什么

当前为等距离:每段60千米。两个速度不能直接相加除以2。

绿色表示第一段,棕色表示第二段,灰色表示停留;每种颜色始终保持相同含义。路程条和时间条分别采用自己的比例尺。

02

学习准备与范围

学习目标

  • 由完整的统计范围确定总路程与总时间。
  • 区分等时间的算术平均、等距离的另一种平均。
  • 用时间权重解释结果为何更靠近慢速。
  • 处理停留、反求速度及目标不可能达到的边界。

必要前置

掌握路程=速度×时间、分数四则运算与简单方程。统一为千米和小时后再算;45分钟=3/4小时。分段匀速是本页教学假设;某段若不匀速,可用该段实际平均速度与时间代入总量式。

S班是本项目的内容深度编排,并非已核实的机构分班标准。题目均为自拟教学题,不预设当地官方学期课纲。

03

原理:平均的到底是什么?

一、先划定起止范围

平均速度(本页指总路程意义的 average speed)是:如果在同样总时间内一直按某个速度走,恰好走完同样总路程,这个速度是多少?设各段路程为 s₁、s₂,时间为 t₁、t₂,总时间为正,则:

v̄ = (s₁+s₂)/(t₁+t₂)

途中停留 τ 小时,若求包含停留的全程平均,就改为 (s₁+s₂)/(t₁+t₂+τ)。停留时速度为0,路程为0,时间仍在累计。“行驶期间的平均”和“出发至抵达的平均”可能不同,题目必须说明统计范围。

往返不是路程相抵:去60千米、回60千米,总路程120千米。回到起点的位移为0,物理中的平均速度矢量(average velocity)可为0;本页不以位移除时间。

二、为什么是按时间加权?

由于 s₁=v₁t₁、s₂=v₂t₂,把路程代入并拆开:

v̄ = v₁·t₁/(t₁+t₂) + v₂·t₂/(t₁+t₂)

两个权重是各段时间占总时间的比例,合计为1。等时间时各占1/2,才得到 (v₁+v₂)/2。对于两种不同速度,这个算术平均等于全程平均的条件是两段时间相同;若两速度本就相同,时间可不相同。

三、等距离时,慢段占用更长时间

两段各为 d 千米,d>0;两速度 v₁、v₂ 都大于0。先算时间再代入:

v̄ = 2d/(d/v₁+d/v₂) = 2v₁v₂/(v₁+v₂)

等距离平均称为两速度的调和平均(harmonic mean)。路程 d 约去,并非忽略路程,而是两段同比例扩大时总时间也同倍扩大。30与60的时间比是2:1,故全程平均为30×2/3+60×1/3=40。等距离不是时间各占一半。

还可直接证明它不会超过算术平均:

(v₁+v₂)/2 − 2v₁v₂/(v₁+v₂)
= (v₁−v₂)²/[2(v₁+v₂)] ≥ 0

两速度相同才取等号。对正速度、两段时间都为正且无停留的情况,总平均严格位于两个不同速度之间。有停留时应把0也视为一段速度,结果可能低于两种行驶速度。

04

完整例题:权重与反求

例题一|去慢回快,还停了一会儿

甲乙两地相距60千米。小车去程30千米/时,回程60千米/时,在乙地停留45分钟;每段匀速。求从出发到返回甲地的全程平均速度,并求只计行驶时间的平均。

  1. 合计路程:60+60=120千米。返回起点不使路程归零。
  2. 分段计时:去程60÷30=2小时,回程60÷60=1小时;停留45÷60=3/4小时。
  3. 求全程平均:总时间2+1+3/4=15/4小时。120÷(15/4)=32千米/时。
  4. 更换统计范围:只计行驶时,120÷(2+1)=40千米/时。45千米/时是两速度的算术平均,不符合本题等距离条件。

核查:32×15/4=120,40×3=120。停留不会增加路程,纳入分母后平均降低。

例题二|目标平均已定,后段必须多快?

从甲到丙共90千米。前30千米以30千米/时匀速行驶,然后停留15分钟,最后60千米匀速行驶。要使从出发到抵达丙的平均速度为40千米/时,后段速度应为多少?若把目标改成72千米/时,能否以有限速度实现?

  1. 目标决定总时间:90÷40=9/4小时。
  2. 扣除已用时间:前段30÷30=1小时;停留1/4小时。留给后段9/4−1−1/4=1小时。
  3. 反求后段速度:60÷1=60千米/时。
  4. 检查目标边界:目标72时总时间90÷72=5/4小时,恰好已被前段和停留占满,后60千米没有剩余时间,不能以有限速度实现。

更一般地,后段正路程需正时间,目标 V 必须满足 90/V>5/4,即0<V<72;后段速度是60÷(90/V−5/4)。V 越接近72,所需速度越大,但任何有限速度都达不到72。真实道路还有限速等约束,本题仅研究数量关系。

05

迁移练习:先写两项总量

练习一|等时间与停留

小车先以30千米/时行驶1小时,再以50千米/时行驶1小时,途中另休息半小时。求只计行驶时间和包含休息的全程平均速度。

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路程分别为30与50千米,总计80千米。行驶时间2小时,所以只计行驶的平均是80÷2=40千米/时,也等于两速度的算术平均,因为行驶时间相等。

含休息时总时间为5/2小时,平均80÷(5/2)=32千米/时。不能把(30+50+0)÷3当作答案:三段时间为1、1、1/2小时,权重不相等。

练习二|保持精确分数

去程40千米,以20千米/时行驶;回程40千米,以40千米/时行驶;中间停留15分钟。求从出发至返回的平均速度,用分数表示。

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总路程40+40=80千米。去程40÷20=2小时,回程40÷40=1小时,停留1/4小时。总时间13/4小时,平均80÷(13/4)=320/13千米/时。

核查:(320/13)×(13/4)=80。两段行驶的算术平均30不适用;只计行驶的平均80/3也不能代替含停留的结果。最终分数无须提前换成小数。

06

反例、易错与回顾

解题顺序:圈定起止与停留范围 → 统一单位 → 逐段列路程和时间 → 分别相加 → 总路程除以总时间 → 代回核查。

07

逐章回看

完整文字稿默认展开。点击标题可定位到视频中的对应讲解。

平均速度是总路程除以总时间。先划定行程范围,往返的路程要相加。

两段路各六十千米,速度分别为三十、六十千米每小时。先看慢的一段。

慢段走两小时,快段只走一小时。路程相同,占用的时间却不同。

全程一百二十千米,合计三小时,平均速度是四十,不是四十五。

如果改成两种速度各走一小时,路程分别是三十和六十千米。

总路程九十千米,总时间两小时,平均才是四十五千米每小时。

回到各走六十千米的行程。途中再停留四十五分钟,路程不增加。

总时间变成四分之十五小时。一百二十除以它,平均速度降为三十二。

平均速度按时间加权。等距离时,慢段占的时间更多,所以结果更靠近慢速。

记住:先统一单位,再合计路程和时间。等时间、等距离和含停留,条件不能混用。

08

范围与图示说明

路线被拉直,表示累计路程而非真实地形;不同案例的端点随总路程变化。时间条按小时、路程条按千米分别标定,两类条长不能直接比较。动画中的逐帧小数标为“约”,最终结果使用精确值。

本页依据路程、速度、时间的定义与所列代数推导,无外部题库引用。自拟例题与练习由精确分数计算核对;动画帮助理解,不替代推导。

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