行程模型 · 位置与时间

位置—时间图解行程

同一时刻看位置,交点判相遇,竖差读间距。

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01

停一小时,什么时候追上?

一条直路上,以甲出发点为原点,向前为正。甲从0千米处出发,先以4千米/时走2小时,停1小时,再以4千米/时前进。乙同时从前方6千米处出发,一直以2千米/时同向前进。观察0至6小时,甲何时追上乙?

实线:甲的位置虚线:乙的位置

第1步 / 共6步:t=0,甲在0千米,乙在6千米。

甲乙位置时间图甲的位置折线经过(0,0)、(2,8)、(3,8)、(6,20);乙直线经过(0,6)、(6,18)。交点为(5,16)。

对应左侧甲乙同向模型

6 千米

先统一时间与原点

t=0时,乙在甲前方6千米。纵轴是位置,不是从出发起累计走过的路程。

图按坐标比例绘制。虚实线和文字共同区分两人,粗线、标记大小不表示位置误差。演示读数均来自同一组分段函数。

02

学习准备与适用条件

学习目标

  • 读出匀速段、停留段、返回段与运动方向。
  • 用交点与竖直差分析相遇和间距。
  • 处理分段函数,逐段核查交点的有效区间。
  • 比较多条位置线,区分位置与累计路程。

必要前置

掌握速度×时间=路程、相遇与追及,能读坐标、有理数和简单一元方程。斜率(slope)在本页指一段直线的“位置变化量÷时间变化量”,不要求微积分。

S班是本项目的深度编排,不代表机构官方课程。讨论同一条直路上可视为点的人或车;必须统一原点、正方向、时间起点及单位。环形路、多维路线、车身长度或瞬间跳跃需另设模型。

03

为什么交点能判相遇?

位置、速度与累计路程

位置 x 是相对原点的有方向坐标,可以减小或为负。累计路程 s 是实际行走长度的总和,只能增加或不变。匀速段开始时刻为 t₀、位置为 x₀、有方向的速度为 v,该段有 x(t)=x₀+v(t−t₀)。v>0 表示向正方向,v<0 表示向负方向走,v=0 表示停留。先向正方向走、再反向行走,是返回的一种情形。向下线段本身只能说明位置减小,不能证明之前走过哪条路。

由公式得 Δx/Δt=v,所以位置线的斜率就是有方向的速度。比较快慢应在相同坐标尺度下比较斜率绝对值;不能跨两张比例不同的图只比倾角,也不能把向下的线段误读为“路程减少”。

相遇是两个条件同时成立

在同一条直路上,相遇的定义是同一时刻 t,两人位置相等:x甲(t)=x乙(t)。图中每个点表示一对(t,x),所以交点恰好满足定义。只比较同一高度但横坐标不同的点,没有同步,不能算相遇。每个交点还必须属于两人所画线段的实际时间范围。

同一时刻画竖线,两人纵坐标的差为位置差,间距为 |x甲−x乙|。水平差则是到达某位置的时间差,单位不同。停留形成水平线,依然可能被另一人走过并在交点相遇。两条位置线在一段时间完全重合,则那段时间始终在同一位置,不能只数为一次孤立交点。

分段图的可靠步骤

  1. 统一坐标并列出所有出发、停留、变速、转向时刻。
  2. 把时间轴分成行为固定的小区间,分别写位置式。
  3. 每段解位置相等式,保留落在该段的解;交界时刻只计一次。
  4. 把所得时刻代回两人的原式,核查位置相等与题意范围。
04

两道完整例题

本页例题与练习均为自拟教学题,计算以精确分数核对。

例题一 · 停留后再追上

条件与上方演示相同。甲0千米出发:前2小时速度4千米/时,第2至3小时停留,此后速度4千米/时;乙从6千米处同时出发,速度2千米/时同向。求0至6小时内的相遇时刻及位置。

  1. 乙始终满足 x乙=6+2t。甲在0≤t≤2时 x甲=4t;在2≤t≤3时 x甲=8;在3≤t≤6时 x甲=8+4(t−3)=4t−4。t以小时、x以千米计,端点公式一致。
  2. 首段:4t=6+2t 得 t=3,不在[0,2],舍去。停留段:8=6+2t 得 t=1,不在[2,3],舍去。
  3. 末段:4t−4=6+2t,得 t=5,属于[3,6]。位置 x=6+2×5=16千米。代回甲也为4×5−4=16。
  4. 从差量复核:第3小时甲在8、乙在12,差4千米;甲每小时追近4−2=2千米,需2小时,所以第5小时追上。此后甲在前,不再相遇。

不能把首段一直延长,使用 t=3:那时甲实际在8千米,乙在12千米,并不相遇。

例题二 · 三条线,三对相遇

直路上共用原点和正方向,t=0同时计时。甲从0千米处以3千米/时向正方向走;乙从12千米处以1千米/时向负方向走;丙一直停在6千米处。观察0≤t≤6小时,求每对相遇时刻,并判断有无三人同时相遇。

  1. 写位置式:x甲=3t,x乙=12−t,x丙=6。乙线向下,说明位置下降;乙累计路程仍是 t 千米。
  2. 甲丙相遇:3t=6,t=2小时,位置6;此时乙在10,不是三人相遇。
  3. 甲乙相遇:3t=12−t,t=3小时,位置9;丙在6。乙丙相遇:12−t=6,t=6小时,位置6;甲在18。
  4. 三对分别在2、3、6小时相遇,均在有效区间内。三人同时相遇要求三个位置式在同一t相等,本题没有三人同时相遇。两次经过同一地点不代表同时在场。
05

迁移练习

练习一 · 先停留的是前方的人

同一直路向右为正,甲从0处以3千米/时前进;乙在前方4千米处,先停留2小时,然后以5千米/时同向前进。两人均从t=0计时,观察0至4小时,求全部相遇时刻和位置。

展开完整解析

甲的位置为3t。乙前2小时位置为4,之后为4+5(t−2)=5t−6。

0≤t≤2:3t=4,t=4/3小时,位置4千米,属于有效区间。2≤t≤4:3t=5t−6,t=3小时,位置9千米。共两次,先是甲超过停留的乙,之后是乙追上甲。

复核:第2小时甲6、乙4,乙落后2千米,速度差2千米/时,再过1小时追上。不能只求第二次而漏掉停留段交点。

练习二 · 返回时,位置与路程分开算

甲从0处出发,以2千米/时向右走2小时,立即以同样速度返回。乙从8千米处以2千米/时向左走;均从t=0计时。观察0至4小时。问t=5/2小时时是否相遇?此时甲的位置和累计路程各多少?这个区间内还有其他相遇吗?

展开完整解析

前2小时,甲位置2t、乙位置8−2t,相等得t=2,位置4。返回阶段甲位置4−2(t−2)=8−2t,恰与乙一致,所以第2至4小时始终处在同一位置。

t=5/2时,两人均在8−2×(5/2)=3千米处,相遇。甲累计路程为先向右4千米再返回2×(5/2−2)=1千米,共5千米。这也等于乙已走的路程,但须用位置式相等证明相遇,不能只用累计路程相等。

06

边界反例与回顾

累计路程图重合,也可能大多时候不相遇

两人从直路0与10千米处同时出发,以2千米/时相向走,0至5小时均不停、不转向。累计路程都是 s=2t,曲线全程重合。但位置分别是2t与10−2t,只在2t=10−2t,即t=5/2小时、x=5千米时相遇。t=1时两人均走2千米,位置却是2和8,相距6千米。

回顾:统一坐标 → 划分运动段 → 写位置式 → 解交点并验区间 → 用位置差复核。图帮助找到结构,方程与条件给出可靠结论。

07

逐章回看

文字稿默认展开;点击标题可定位到视频中的对应讲解。

横轴是同时开始计的时间,纵轴是距同一原点的位置。相遇要在同一时刻、同一位置。

甲从原点出发,每小时四千米。乙从前方六千米处出发,每小时两千米,方向相同。

甲走两小时到八千米处,停留一小时。图上水平的一段表示位置不变,不是回到原点。

三小时后甲继续以每小时四千米前进。此时甲落后乙四千米,每小时缩小两千米,五小时时在十六千米处追上。

同一时刻两条线的竖直差,是沿这条直路的位置差。斜率表示有方向的速度,向下的线段表示返回。

反例:两人从零和十千米处相向而行,速度都为每小时两千米。他们累计路程始终相等,却只在二点五小时时相遇。