逻辑与经典模型 · 相对运动

钟面指针的相对运动

把两针的转动化为角度追及,再用整圈和区间筛选答案。

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01

三点之后,分针怎样追上时针?

一只准确的十二小时制时钟,两针同向、连续、匀速转动。从3点整开始,分别看第一次重合、第一次后续直角,以及两次直角之间的成一直线。

同一个起点,三个目标

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绿色长针:分针棕色短针:时针

第1 / 4步:3点整,分针角0°,时针角90°,有向角差−90°。

02

学习准备与适用条件

目标:能从转速推出相对速度,求重合、指定角和周期内次数,并检查时间区间的端点。前置:一周360°、钟面12大格、分数运算、速度×时间及简单方程。本页的S班深度是项目编排,不代表当地官方课纲。

03

为什么成立:从角速度到整圈条件

1. 两针都移动,追近速度用差

分针角速度 ω分=360÷60=6°/分;时针角速度 ω时=360÷720=1/2°/分。因此分针相对时针每分钟增加6−1/2=11/2°。例如3点15分时,时针已经离开3点位置7.5°,两针并未重合。

2. 先写不取模的有向角差

设起点是 h 点整,h 为0至11的整数,t 为此后分钟数。分针累计转6t度,时针从30h度转到30h+t/2度。定义“分针角减时针角”为有向角差 D:

D = 6t − (30h+t/2) = (11/2)t − 30h

D 可为负,也可超过360°。相差一整圈仍指向同一方向,因此先保留 D,再减去适当的360°整数倍,得唯一余角差 r,满足0≤r<360。小夹角为min(r,360−r)。

3. 指定小夹角,要列全两个方向

k 为任意整数,最后只保留题目时间区间内的 t
目标有向角差条件何时合并分支
重合D=360k0°只有一个分支
垂直D=90+360k 或 D=270+360k两个不同方向
反向成一直线D=180+360k180°只有一个分支
小夹角 α,0<α<180D=α+360k 或 D=−α+360k两分支互不重合

由 D 的表达式求出每个分支的 t,再按时间范围筛选。不要预设每小时一定出现两次,也不要只解 D=α 而漏掉另一个方向。α=0或180时两分支重复,不能翻倍计数。

4. 相对周期与端点

P = 360 ÷ (11/2) = 720/11 分钟

P 是两针相对方向重复的周期;不是整个钟面两针同时回到原位置的周期。整个针位配置720分钟才重复一次。以12点整为起点,重合时刻 t=kP。在[0,720)内,0≤k<11,k=0至10,共11次;在[0,720]内,k=0至11,共12次;在(0,720)内,k=1至10,共10次。方括号含端点,圆括号不含端点。

12小时内,相对角差走11整圈。每个相对周期中,0<α<180的指定小夹角出现两次;重合与反向各一次。因此[0,720)内,垂直22次,重合11次,反向11次。该结论针对完整的11个周期,不能直接套任意短区间。

04

完整例题:重合与端点筛选

以下例题、练习均为自拟教学题,按理想连续匀速钟计算。

例题一|3点至4点之间第一次重合

准确的十二小时钟,从3点整起,经过多少分钟两针第一次重合?要求严格晚于3点且早于4点。

  1. 3点整分针0°,时针90°,分针落后90°。
  2. 追近速度是11/2°/分,第一次重合先追90°:t=90÷(11/2)=180/11分钟。
  3. 180/11=16又4/11,所以时刻为3点16又4/11分;不是3点16分4秒。也可写3点16分21又9/11秒。
  4. 代回:分针6×180/11=1080/11度;时针90+(180/11)/2=1080/11度,吻合。且0<180/11<60,符合区间。

下一次重合需再过720/11分钟,已不在3点至4点内;第一次重合唯一。

例题二|严格在3点之后、4点之前,两针何时垂直?

同一理想钟,求开区间(3点,4点)内全部直角时刻,并比较若题目改为“含3点、不含4点”的答案。

  1. 从3点整计时,D=−90+(11/2)t,0<t<60。对应角差范围为−90<D<240。
  2. 直角条件 D=90+360k 或 D=−90+360k。第一分支只有k=0符合,得t=(90+90)÷(11/2)=360/11分钟。
  3. 第二分支k=0给t=0,被排除;k=1给D=270,t=720/11>60,也被排除。其余k更远。因此只有3点32又8/11分这一次。
  4. 若改为左闭右开[3点,4点),t=0可计入,答案增加3点整,共2次。4点整小夹角为120°,不是直角。

“直角有两个方向”不表示每个一小时区间必有两次。是否落在区间内,要逐个筛选。

05

迁移练习

练习一|4点与5点之间的小夹角60°

准确的理想钟,严格在4点后、5点前,两针小夹角为60°的全部时刻是什么?

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从4点整计t分钟,D=−120+(11/2)t,0<t<60,对应−120<D<210。小夹角60°要求D=60+360k或−60+360k。

范围内仅D=−60与60。分别解得t=60÷(11/2)=120/11分、t=180÷(11/2)=360/11分。答案为4点10又10/11分、4点32又8/11分。

代回D分别为−60°和60°,小夹角均为60°;两个t都在(0,60)内。其他整圈分支不在范围内。

练习二|12小时内,含首尾的计数

从中午12点整到午夜12点整,两个端点都计入:两针重合、反向成一直线、垂直各多少次?若两个端点都不计,又分别多少次?

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以中午12点为t=0。重合t=720k/11,闭区间0≤t≤720允许k=0至11,所以12次;开区间只允许k=1至10,所以10次。

反向D=180+360k,t=(360+720k)/11。k=0至10共11次,端点并非反向,开闭均11次。

垂直分支t=(180+720k)/11或(540+720k)/11,每支k=0至10,各11次,共22次。端点都重合而不垂直,故开闭均22次。闭区间答案(12,11,22),开区间答案(10,11,22)。不能把所有次数都统一加减2。

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反例、易错与回顾

统一起点与单位 → 写 D → 列整圈条件 → 求 t → 筛区间与端点 → 代回小夹角

模型给的是数学条件。动画用于观察,两针看似接近不能代替方程证明;钟面刻度或像素精度也不能证明精确重合。

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逐章回看

文字稿默认展开,点击章节标题可定位到视频中的实测讲解时间。

分针每分钟转六度,时针每分钟转半度。两针都在动,分针每分钟只追近五点五度。

三点整,时针领先九十度。三点后第一次重合,要用九十除以五点五,得到十一分之一百八十分钟。

这时分针转了十一分之一千零八十度,时针也前进了十一分之九十度,两针恰好对齐。

指定小夹角,要保留两个方向。小夹角九十度,对应分针领先时针九十度,或领先二百七十度。

三点整已经是直角。严格在三点之后,第一次直角要让相对角差从负九十度增加到正九十度。

需要追回一百八十度,用时十一分之三百六十分钟。下一次直角已超过四点。三点整是否计入,取决于题目端点。

每追上一整圈,两针再次重合,间隔十一分之七百二十分钟。从十二点起,十二小时内,含起点不含终点,共重合十一次。

不要把时针看成静止,也不要把整小时当周期。先写有向角差,再列整圈条件,最后筛选区间和端点。