自动扶梯模型
把人的步行和扶梯运送分开,用同一段固定长度连接。
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01
甲少走12级,扶梯怎样补上?
同一部向上匀速运行的扶梯,甲从下端到上端用60秒,自己走60级;乙同样顺行,用36秒,自己走72级。两人每次均匀速、每步前进一级,扶梯在两次测量中速度相同。求扶梯静止时的长度和运行速度。
第1步 / 共5步:先分清两种运动
人相对台阶前进;扶梯也在相对地面前进。上下端的位置固定。
对应本题两次顺行测量
L = n + vt
同一段长度,两种贡献
L 是固定端点间的等效级数;n 是人自己走的级数;vt 是扶梯在同段时间运送的等效级数。
模型把台阶间距作为长度单位,允许分数级。不以图上画出的踏板数量测量长度;忽略踏入、踏出和端部整级计数误差。
02
学习准备与模型条件
学习目标
- 区别人走级数 n、扶梯运送量 vt 和固定长度 L。
- 从两人的顺行测量消去 L,反推扶梯速度。
- 在同人顺逆向变式中正确使用加、减与到达条件。
必要前置
会使用路程=速度×时间,理解相对速度,能解一元一次方程。所有速度统一为“级/秒”,所有时间统一为秒。每步跨多级时,应将步数换算为级数;“每秒几步”不能直接当作“每秒几级”。
共同条件:同一扶梯、同一固定长度、同一运行速度;各次人走的速度各自恒定,不要求不同人的步速相同。方向必须逐次明确。若扶梯变速或人在中途停走,不能直接把未知的瞬时速度套进匀速公式。
本页为项目编排的 S 班行程拓展,不代表任何机构的官方课纲。逆行仅用于数学分析,请勿在真实扶梯上逆行或奔跑实验。
03
为什么顺行相加,逆行相减?
设固定长度为 L>0,扶梯运行速率为 v≥0;人的步速 u>0 是相对台阶的速率。行程耗时 t>0,人自己前进 n=ut 级。n 是沿所走方向的正数量。
沿扶梯运行方向走
L = (u+v)t = n+vt
人向前走,扶梯也向同一端运送。以行走方向为正,两个位移同号。
逆扶梯运行方向走
L = (u−v)t = n−vt
人向目标走,扶梯向反向运送。必须 u>v 才能从一端到达另一端。
两人都顺行:比较同一长度
两次数据为 (n₁,t₁)、(n₂,t₂),可列 L=n₁+vt₁=n₂+vt₂。移项得到:
v(t₁−t₂)=n₂−n₁
若 t₁≠t₂,v=(n₂−n₁)/(t₁−t₂)。不能未经方向判断就把时间相加。求出 v 后代回任一式求 L,并检查 v≥0、L>0 及两式一致。
同人顺逆行:一个加、一个减
同一人保持相同的相对台阶步速 u,顺行 n顺 级、逆行 n逆 级,对应时间 t顺=n顺/u、t逆=n逆/u。
L=n顺+vt顺=n逆−vt逆
v(t顺+t逆)=n逆−n顺
时间和来自移项后的两个运送项,不能凭“往返”二字死记。还可令 r=v/u,则 L=n顺(1+r)=n逆(1−r),所以 r=(n逆−n顺)/(n逆+n顺),L=2n顺n逆/(n顺+n逆)。只知道两次级数和同人同步速条件,可以求 L 与 v/u;没有时间或 u 的标定,不能求 v 的绝对值。
04
完整例题:两种消元结构
例题和练习均为自拟教学题,按连续匀速模型核对。
例题一 · 不同人顺行
60秒走60级,36秒走72级
条件同本页演示。求扶梯静止长度 L、速度 v,以及站着不走从下端到上端所需时间。
- 甲相对台阶步速60÷60=1级/秒;乙为72÷36=2级/秒。两人速度不同仍可比较固定长度。
- 列式 L=60+60v,L=72+36v。
- 相等并移项:(60−36)v=72−60,即24v=12,v=1/2级/秒。
- 代回 L=60+60×1/2=90级;乙的式子72+36×1/2=90,同样成立。
- 站着不走,人相对台阶速度为0,只由扶梯运送。时间90÷(1/2)=180秒。
解释:甲比乙自己少走12级,但多乘24秒扶梯;这24秒恰好多运送12级。
例题二 · S班变式:同人顺逆向
每秒走2级,顺行走40级,逆行走120级
同一部向上匀速扶梯,一人顺行从下端到上端、逆行从上端到下端,均保持相对台阶每秒2级。顺行自己走40级,逆行自己走120级。求扶梯速度和静止长度。
- 先用自己的级数除以自己的步速:t顺=40÷2=20秒,t逆=120÷2=60秒。
- 顺行:L=40+20v。逆行:L=120−60v。
- 移项得到(20+60)v=120−40,即80v=80,v=1级/秒。
- L=40+20×1=60级;逆行核对120−60×1=60级。
- 到达条件:u−v=2−1=1>0。逆行时间60÷1=60秒,与已算时间相同。
不能把同一个人的顺行与逆行都写成加号。也不能用两次级数的算术平均(40+120)÷2=80代替长度60。
05
迁移练习
练习一 · 谁把缺少的12级补上?
同一向上匀速扶梯,甲顺行24秒自己走48级,乙顺行12秒自己走60级。每人匀速、每步一级。求扶梯速度、静止长度和两人相对台阶步速。
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L=48+24v=60+12v,所以12v=12,v=1级/秒,L=72级。甲步速48÷24=2级/秒,乙60÷12=5级/秒。核对:(2+1)×24=72,(5+1)×12=72。相对地面的速度分别是3、6级/秒,不能与2、5混淆。
练习二 · 顺行60级,逆行120级
同一人相对台阶每秒走3级,在同一向上匀速扶梯顺行走60级、逆行走120级,均完成全程。求扶梯静止长度和速度;若不告诉每秒3级,还能确定哪些量?
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t顺=60÷3=20秒,t逆=120÷3=40秒。L=60+20v=120−40v,故60v=60,v=1级/秒,L=80级。核对逆行净速度3−1=2级/秒,80÷2=40秒。若不知道步速,只能确定 v/u=(120−60)/(120+60)=1/3,L=60×(1+1/3)=80级;u、v 同倍缩放会改变时间而保持两次级数,不能确定绝对速度。
06
边界、反例与回顾
- 逆行 u=v:净速度为0,即使不断迈步也不能到达另一端;u<v 时被带向反方向。不能把 L/(u−v) 的负数读成“负时间到达”。
- 两次顺行时间相同:在模型条件下人走级数必须相同;相同时间却级数不同,说明数据或条件矛盾。两者都相同则只有一条独立方程,不能唯一求 L、v。
- 扶梯停运 v=0:顺行或逆行自己走的级数均等于 L;没有扶梯贡献。不同人耗时仍可不同。
- 只说同一个人不够:顺逆行若没有“相对台阶步速相同”,两次级数不能直接使用上述同速结论。
- 不能混用长度:“静止时长90级”是固定端点间等效长度,不是问扶梯整个循环链条总共有多少块踏板。
- 数据要可行:若同向模型算出 v<0,先核对方向、单位和条件,不能默默把负号去掉。
方向 → 单位 → L 的两种表示 → 消元 → 代回 → 到达条件
统一的是固定长度与扶梯速度,不是不同人的步速。顺行看叠加,逆行看抵消,先说清参照物再列式。
07
逐章回看
点击章节标题,可定位到视频中的对应讲解。
人走了六十级,不等于扶梯只有六十级。固定长度,还包括扶梯在这段时间运送的量。
同一部向上的扶梯,甲用六十秒走六十级。设扶梯每秒上行 v 级,长度就是六十加六十 v。
乙用三十六秒走七十二级。扶梯长度没有变,所以也等于七十二加三十六 v。
甲比乙少走十二级,却多坐了二十四秒扶梯。二十四 v 等于十二,扶梯速度是每秒零点五级。
代回甲的过程,六十加三十,得到静止时长九十级。两人的步速可以不同,扶梯速度必须相同。
再看同一人:每秒走两级,顺行走四十级,逆行走一百二十级。对应时间是二十秒和六十秒。
顺行长度是四十加二十 v,逆行长度是一百二十减六十 v。解得 v 等于一,长度六十级。
先统一台阶单位,再按方向加减。逆行到达要求人比扶梯快。这是连续匀速模型,不要在真实扶梯逆行实验。