行程模型 · 相对运动

环形跑道

先固定起点与方向,再看相对位移何时补成整圈。

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01

追上一次,就算套圈吗?

周长400米,甲、乙同时匀速顺时针跑,速度分别为6米/秒、4米/秒。乙在甲前方100米,甲多久首次追上乙?甲比乙多跑一圈时,两人是否重合?

当前演示解释

50秒

先补完100米弧距

甲每秒补回6−4=2米;100÷2=50秒。相遇时甲比乙多跑100米,还没有多跑一整圈。

图中用实心点表示甲、环形点表示乙;同一点重合时仍可区分。跑道图表示位置,下面文字表示累计路程。

02

学习准备与适用条件

本页面向S班方法训练。A/S为项目教学深度编排,不是官方课纲。前置:路程=速度×时间、追及与相遇、余数、分数运算,以及最小公倍数。

目标:会选有方向的弧距;区分相遇与累计路程套圈;能把多人同时重合转化为共同满足的条件。以下均为理想点模型:同一闭合跑道、同时起计、各段匀速、不停留、不变道、无超越阻碍。若有停留或变速,须按时间段另列方程。

03

为什么整圈决定重合?

把跑道展开,保留绕过的圈数

设周长为L,顺时针为正。甲从坐标0出发,乙的初始顺时针坐标为d,取0≤d<L;两人的有向速度为u、v,顺时针为正、逆时针为负。t秒后展开坐标分别是ut与d+vt。

圆上走L米回到原位置,因此两个展开坐标相差kL时表示圆上的同一点,k为任意整数:

(u−v)t = d+kL

找首次相遇时,只保留t>0,再选其中最小的时间。初始重合的t=0不算“出发后首次”。若只求t≥0,必须说明是否包含出发瞬间。这里的d是选定正方向的坐标,不能随意换成较短弧。

同向追及与相向运动

同向且甲更快、0<d<L时,首次追上t=d/(u−v),之后每隔L/(u−v)重合一次。同点出发d=0时,出发后首次重合需相对多走一整圈。

乙逆时针、速率为b时,v=−b,闭合速度是u+b。0<d<L时,首次相遇为d/(u+b),以后每隔L/(u+b)相遇。不是每次相遇都从零补一圈。

相遇与套圈的量不同

本页把“甲比乙多跑一圈”明确解释为两人的累计路程差达到L。不同起点的首次同向相遇通常只多跑d米;路程差达到L时,也未必重合。题目若用“套圈”表示一次超越,应先明确具体定义。相向运动的相遇由有向速度差控制,不应把两人路程之差当闭合速度。

多人题为什么要同时满足?

三人同点同向匀速跑,速度为a、b、c,三人重合必须使(a−b)t、(a−c)t同时为L的整数倍。只检查一组,只能保证两人重合。速度差为零时,两人始终重合,不要除以零。求最早正共同时间可以枚举两组周期的共同倍数;使用最小公倍数前须统一时间单位,分数周期可先通分化为整数单位。

04

完整例题:不同起点与三人重合

例题一 · 400米跑道上,乙领先100米

条件与演示相同:甲6米/秒、乙4米/秒,同时同向匀速跑。求首次追上时间、地点,并判断累计路程相差一圈时是否相遇。

  1. 顺时针坐标:甲为6t,乙为100+4t。首次追上补100米,而不是400米。
  2. 2t=100,所以t=50秒。甲跑300米,乙跑200米;乙位置100+200=300米,两人重合。
  3. 路程差一圈:2t=400,所以t=200秒。甲跑1200米,位置0米;乙跑800米,加起点100米,位置100米,没有相遇。
  4. 相遇时间完整序列是50、250、450、…秒,相邻差200秒。“首次”与“间隔”要分开。

结构变式:乙改为逆时针,甲仍顺时针。首次相遇100÷(6+4)=10秒,位置60米;相邻间隔400÷10=40秒,第3次在10+2×40=90秒。甲位置540−400=140米,乙位置100−360再加400=140米。

例题二 · 两人相遇不等于三人同时相遇

周长360米,甲、乙、丙同时从同一点同向匀速出发,速度分别为6、4、3米/秒。求出发后三人第一次同时重合的时间。

  1. 甲乙速度差2米/秒,重合周期360÷2=180秒;甲丙速度差3米/秒,重合周期360÷3=120秒。
  2. 180的正倍数:180、360、540、…;120的正倍数:120、240、360、…。最早共同时间为360秒。
  3. 核查:甲、乙、丙分别跑2160、1440、1080米,分别为6、4、3圈,都在原起点。
  4. 排除180秒:此时甲乙重合,但甲丙相对走540米,是一圈半,丙与甲相差半圈。

只需核查甲乙与甲丙:如果乙、丙在同一时刻都和甲重合,就必然互相重合。无需把每一对单独列为新的未知条件。

05

迁移练习

例题与练习均为本页自拟教学题。每题先画出方向,再计算。

练习一 · 甲在前方,快者追一整圈的剩余部分

周长300米,两人同时同向匀速跑。甲5米/秒、乙3米/秒,甲在乙前方75米。求甲出发后第一次、第二次追上乙的时间及第二次相遇地点(以甲出发点为0,顺时针为正)。

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甲虽在前面,但沿同向从甲到乙还要走300−75=225米,不能把75米当作甲要补的弧距。以甲起点0,乙坐标为225米,也可写为−75米。

首次:225÷(5−3)=225/2秒,即112.5秒。相邻相遇间隔300÷2=150秒,第二次为225/2+150=525/2秒,即262.5秒。

第二次甲累计路程2625/2米,减去4圈1200米,位置225/2米,即112.5米。乙展开坐标−75+3×525/2=1425/2米,减去2圈600米,同样为225/2米。小数均为精确有限小数。

练习二 · 三人重合不一定回起点

周长240米,甲、乙、丙同时同点同向匀速出发,速度分别为5、3、1米/秒。求出发后首次三人重合的时间,是否在起点?

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甲乙周期240÷(5−3)=120秒,甲丙周期240÷(5−1)=60秒。最早正共同时间为120秒。

三人累计路程分别是600、360、120米,除以240的余数都是120米。所以在起点对面的半圈处重合。不能用“各自跑整圈回起点”的最小公倍数代替“三人位置相同”。

06

边界反例与回顾

解题顺序:标正方向与初始坐标 → 写有向速度 → 让展开坐标差为整圈 → 选最小正时间 → 用实际位置核查。

07

逐章回看

点击标题定位到视频对应章节。文字稿默认展开,可独立阅读。

四百米环形跑道,甲乙都顺时针跑,速度分别为每秒六米和四米,乙领先一百米。

把跑道沿起点剪开。乙的展开位置是一百加四乘时间,甲是六乘时间。

甲每秒补回两米,五十秒补完一百米。此时两人都在三百米处,甲没有多跑一圈。

如果问甲比乙多跑一圈,需要二百秒。此时甲在起点,乙在一百米处,并不相遇。

改成乙逆时针跑,两人先共同走完一百米,十秒相遇。此后每四十秒再相遇一次。

再看三人题。周长三百六十米,同点同向出发,速度为每秒六米、四米和三米。

甲乙每一百八十秒重合,甲丙每一百二十秒重合。最早的正共同时间是三百六十秒。

环形相遇不是只背周长除速度。先标起点与方向,再让相对位移满足整圈条件。