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代数 · 第 20 章

速度、路程与时间

路程等于速度乘以时间,其余几乎都由此而来:平均速度(它不是各速度的平均数!)、相遇与追及,还有在自动扶梯和自动人行道上行走。

你需要先会
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20.0a0%

路程、速度与平均速度

在本节中,你将能够 运用“路程 = 速度 × 时间”,用正确的方法求平均速度,并识破平均速度的陷阱。

你以 4 mph 的速度走 4 英里出去,再以 2 mph 的速度沿原路返回。你的平均速度不是 3 mph。为什么?

本章的每道题都建立在一个公式上:路程 = 速度 × 时间。三个量知道两个,就能求出第三个。

平均速度是总路程除以总时间。看:返程时你走得慢,所以你以慢速行进的时间更长。这就把平均速度拉到了各速度的普通平均数以下。

动手探索先玩,再学公式

以 4 mph 走 4 英里,然后以 2 mph 走 4 英里:3 小时共走了 8 英里,平均速度 8/3 mph(不是速度的平均数 3)

你的猜测3 mph
去程速度4 mph
返程速度2 mph
路程(每段路一样长)4 英里4 英里时间(每段用了多久)1 小时2 小时时钟:0 / 3 小时
  • 去程:4 英里,速度 4 mph
  • 返程:4 英里,速度 2 mph
平均速度 = ?先猜一猜!

平均速度=总路程总时间\text{平均速度} = \frac{\text{总路程}}{\text{总时间}}

你的猜测:3 mph。各段分别用时 1 和 2 小时。

认识概念

定理 20.0.1 · 路程、速度与时间

路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}

等价地,

速度=路程时间时间=路程速度\text{速度} = \frac{\text{路程}}{\text{时间}} \qquad \text{时间} = \frac{\text{路程}}{\text{速度}}

单位要对应:每小时多少英里,就要配上以小时为单位的时间。先把分钟换算好。

Joe 从 0 英里 处出发,速度 60 英里/小时:0.67 小时 走了 40 英里

时钟0 小时(0 分钟)
Joe 的速度60 英里/小时
010203040Joe
00.250.50.751010203040时间(小时)位置(英里)
t = 0 小时(0 分钟)

路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}:图上的线越陡,说明速度越快。

t = 0 小时(0 分钟): Joe 在 0 英里 处

定理 20.0.2 · 平均速度

平均速度=总路程总时间\text{平均速度} = \frac{\text{总路程}}{\text{总时间}}

看例题先预测,再揭晓

例 20.1

AMC 10

一天早上,Henry 决定去健身。他从家朝健身房走了全程的 34\frac{3}{4}。健身房离 Henry 家 22 千米。走到那里时,他改变了主意,从所在的位置往家的方向走了剩下路程的 34\frac{3}{4}。到达那一点时,他又改变了主意,从那里往健身房的方向走了剩下路程的 34\frac{3}{4}。如果 Henry 每次从上一次改变主意的地方朝健身房或家走了剩下路程的 34\frac{3}{4} 时,都会再次改变主意,那么他最终会非常接近于在离家 AA 千米的一点和离家 BB 千米的一点之间来回走。求 ∣A−B∣|A - B|。

等比增长 (总数在例题最后一步揭晓)

r = ?
每加一项后的累计和
S∞ = 8/15

和为 8/15;各项平方的和为 64/375

  1. 1

    把家放在 00,健身房放在 22。Henry 第一次在哪里掉头?

    先预测一下:
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自己做

习题 20.1.1

AMC 10

一辆小车沿山坡滚下,第一秒走了 55 英寸,并不断加速,使得此后每个 11 秒的时间段里走的路程都比前一个 11 秒多 77 英寸。小车用了 3030 秒到达山脚。它一共走了多少英寸?

习题 20.1.4(补充题)

AMC 10

Sam 在 9090 分钟内开了 9696 英里。他在前 3030 分钟的平均速度是 6060 mph(英里每小时),在第二个 3030 分钟的平均速度是 6565 mph。他在最后 3030 分钟的平均速度是多少 mph?

以 60 mph 走 1/2 小时(30 英里),然后以 65 mph 走 1/2 小时(32.5 英里),然后以 60 mph 走 1/2 小时(30 英里):3/2 小时共走了 92.5 英里,平均速度 185/3 mph(不是速度的平均数 185/3)

你的猜测62 mph
前 30 分钟速度60 mph
第二个 30 分钟速度65 mph
最后 30 分钟速度60 mph
路程(速度 × 时间)30 英里32.5 英里30 英里时间(每段一样长)1/2 小时1/2 小时1/2 小时时钟:0 / 3/2 小时
  • 前 30 分钟:30 英里,速度 60 mph
  • 第二个 30 分钟:32.5 英里,速度 65 mph
  • 最后 30 分钟:30 英里,速度 60 mph

合计:3/2 小时走了 92.5 英里

平均速度 = ?先猜一猜!

平均速度=总路程总时间\text{平均速度} = \frac{\text{总路程}}{\text{总时间}}

你的猜测:62 mph。各段分别用时 1/2 和 1/2 和 1/2 小时。 合计:3/2 小时走了 92.5 英里.

习题 20.1.6(补充题)

AMC 10

Samia 骑自行车去看朋友,平均速度是每小时 1717 千米。当她走完到朋友家路程的一半时,一个轮胎瘪了,于是她以每小时 55 千米的速度步行走完剩下的路。她一共用了 4444 分钟到达朋友家。Samia 步行了多少千米(精确到十分位)?

竞赛角真实竞赛题

习题 20.1.2

AMC 10

Chantal 和 Jean 从步道起点出发,朝一座防火瞭望塔徒步。Jean 背着很重的背包,走得比较慢。Chantal 一开始以每小时 44 英里的速度走。到了去瞭望塔的半路,步道变得非常陡,Chantal 的速度降到每小时 22 英里。到达瞭望塔后,她立刻掉头,以每小时 33 英里的速度走下陡峭的那段路。她在半路处遇到了 Jean。相遇之前,Jean 的平均速度是每小时多少英里?

以 4 mph 走 6 英里,然后以 2 mph 走 6 英里,然后以 3 mph 走 6 英里:13/2 小时共走了 18 英里,平均速度 36/13 mph(不是速度的平均数 3)

你的猜测3 mph
上山:平缓的一半速度4 mph
上山:陡峭的一半速度2 mph
下山:陡峭的一半速度3 mph
路程(每段路一样长)6 英里6 英里6 英里时间(每段用了多久)3/2 小时3 小时2 小时时钟:0 / 13/2 小时
  • 上山:平缓的一半:6 英里,速度 4 mph
  • 上山:陡峭的一半:6 英里,速度 2 mph
  • 下山:陡峭的一半:6 英里,速度 3 mph
平均速度 = ?先猜一猜!

平均速度=总路程总时间\text{平均速度} = \frac{\text{总路程}}{\text{总时间}}

你的猜测:3 mph。各段分别用时 3/2 和 3 和 2 小时。

习题 20.1.5(补充题)

AIME

每天早上,Aya 都要走 99 千米,最后到咖啡店结束。有一天,她以每小时 ss 千米的速度走,整个过程用了 44 小时,其中包括在咖啡店的 tt 分钟。另一天早上,她以每小时 s+2s + 2 千米的速度走,整个过程用了 22 小时 2424 分钟,其中也包括在咖啡店的 tt 分钟。今天早上,如果她以每小时 s+12s + \frac{1}{2} 千米的速度走,那么整个过程要用多少分钟(包括在咖啡店的 tt 分钟)?

习题 20.1.7(补充题)

AMC 10

Roy 买了一辆新的油电混合动力汽车。在一次行程中,前 4040 英里汽车只用电池,之后的路程只用汽油,耗油率是每英里 0.020.02 加仑。整个行程平均每加仑汽油行驶 5555 英里。这次行程有多少英里?

习题 20.1.8(补充题)

AIME

Rudolph 以恒定速度骑车,每骑完 1 英里就停下休息五分钟。Jennifer 也以恒定速度骑车,她的速度是 Rudolph 的四分之三,但 Jennifer 每骑完 2 英里才休息五分钟。Jennifer 和 Rudolph 同时出发,并恰好同时到达 5050 英里处。他们一共用了多少分钟?

过关检测(第 20.0a 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

一位骑车人以 1515 km/h 骑了 3030 千米,又以 1010 km/h 骑了 3030 千米。她整段骑行的平均速度是多少 km/h?

2

一列火车用 22 小时 3030 分钟行驶了 150150 英里。它的平均速度是每小时多少英里?

3

你以 4040 mph 开了 11 小时,又以 6060 mph 开了 11 小时。你的平均速度是多少 mph?

20.0b0%

相对运动

在本节中,你将能够 对相向而行或前后追赶的运动物体,把速度相加或相减,并处理自动扶梯和自动人行道问题。

Al 沿着向上运行的自动扶梯往下走,数了 150 级台阶。Bob 往上走,只数了 75 级。扶梯上能看到多少级台阶?

两个物体同时运动时,看它们之间的距离。相向而行时,距离以两速度之和缩短;一个追另一个时,距离以两速度之差缩短。

自动人行道或自动扶梯只是给站在上面的每个人加上它自己的速度。你数到的台阶,只是你自己的脚踩过的那些。

动手探索先玩,再学公式

自动人行道从 0 到 100 英尺,速度 6 英尺/秒。Al 从 0 英尺 处出发,速度 0 英尺/秒:16.67 秒 走了 100 英尺;Bob 从 0 英尺 处出发,速度 4 英尺/秒:17 秒 走了 120 英尺;Cy 从 0 英尺 处出发,速度 6 英尺/秒:24 秒 走了 120 英尺。在 t = 11 秒 时,Al 恰好在另两人正中间,离起点 66 英尺

时钟0 秒
Al 的速度0 英尺/秒
Bob 的速度4 英尺/秒
Cy 的速度6 英尺/秒
自动人行道 →0306090120AlBobCy
051015200306090120时间(秒)位置(英尺)
t = 0 秒

路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}:图上的线越陡,说明速度越快。

t = 0 秒: Al 在 0 英尺 处, Bob 在 0 英尺 处, Cy 在 0 英尺 处

看例题先预测,再揭晓

例 20.2

AIME

Al 沿着一部向上运行的自动扶梯往下走到底部,他数了 150150 级台阶。他的朋友 Bob 沿着这部扶梯往上走到顶部,数了 7575 级台阶。如果 Al 的步行速度(以单位时间走的台阶数计)是 Bob 步行速度的 3 倍,那么任意时刻扶梯上可以看到多少级台阶?(假设这个数是不变的。)

赛道 (总数在例题最后一步揭晓)

时钟0 秒
自动扶梯 →0????AlBob
0204060800????时间(秒)位置(级)
t = 0 秒
  • Al 自己走了 0 级 · 传送带带他移动了 ? (例题最后一步揭晓) 级
  • Bob 自己走了 0 级 · 传送带带他移动了 ? (例题最后一步揭晓) 级

路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}:图上的线越陡,说明速度越快。

t = 0 秒: Al 在 ? 级 处, Bob 在 ? 级 处. Al 自己走了 0 级, Bob 自己走了 0 级

  1. 1

    只有速度之比才重要,所以设 Bob 每秒走 11 级,Al 每秒走 33 级。Al 数了 150150 级。他在扶梯上待了多少秒?

    先预测一下:
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例 20.3

AIME

一条 100100 英尺长的自动人行道以每秒 66 英尺的恒定速度运行。Al 踏上人行道的起点后站着不动。两秒后,Bob 踏上人行道的起点,以每秒 44 英尺的恒定速度在人行道上向前漫步。又过了两秒,Cy 到达人行道的起点,在人行道旁边以每秒 88 英尺的恒定速度快步向前走。在某一时刻,这三个人中的一个恰好位于另外两人的正中间。求此时人行道起点与位于中间的那个人之间的距离(单位:英尺)。

赛道 (总数在例题最后一步揭晓)

时钟0 秒
自动人行道 →0306090120AlBobCy
051015200306090120时间(秒)位置(英尺)
t = 0 秒

路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}:图上的线越陡,说明速度越快。

t = 0 秒: Al 在 0 英尺 处, Bob 在 0 英尺 处, Cy 在 0 英尺 处

  1. 1

    Bob 相对地面的速度是多少?

    先预测一下:
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自己做

习题 20.1.3

MATHCOUNTS

一辆汽车以每小时 6060 千米的恒定速度经过点 AA。过了一段时间,第二辆汽车以每小时 7575 千米的恒定速度经过同一点 AA,然后跟在第一辆车后面。它在驶过点 AA 之后 7575 千米处追上了第一辆车。第一辆车经过点 AA 之后多少分钟,第二辆车经过了点 AA?

第一辆车 从 0 千米 处出发,速度 60 千米/小时:1.67 小时 走了 100 千米;第二辆车 从 0 千米 处出发,速度 75 千米/小时:1.33 小时 走了 100 千米。到 t = 1.5 小时 时,第一辆车 和 第二辆车 还没有相遇

时钟0 小时(0 分钟)
第二辆车 出发时刻0 小时(0 分钟)
0255075100第一辆车第二辆车
00.380.751.131.50255075100时间(小时)位置(千米)
t = 0 小时(0 分钟)

路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}:图上的线越陡,说明速度越快。

t = 0 小时(0 分钟): 第一辆车 在 0 千米 处, 第二辆车 在 0 千米 处

竞赛角真实竞赛题

习题 20.1.9(补充题)

AMC 12

Andrea 和 Lauren 相距 2020 千米。她们骑车相向而行,Andrea 的速度是 Lauren 的 3 倍,两人之间的距离以每分钟 11 千米的速度缩短。55 分钟后,Andrea 的轮胎瘪了,她停下来等 Lauren。从她们开始骑车算起,过了多少分钟 Lauren 到达 Andrea 那里?

Andrea 从 0 千米 处出发,速度 0.75 千米/分钟:5 分钟 走了 3.75 千米;Lauren 从 20 千米 处出发,速度 0.25 千米/分钟:80 分钟 走了 20 千米。到 t = 30 分钟 时,Andrea 和 Lauren 还没有相遇

时钟0 分钟
05101520AndreaLauren
07.51522.53005101520时间(分钟)位置(千米)
t = 0 分钟

路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}:图上的线越陡,说明速度越快。

t = 0 分钟: Andrea 在 0 千米 处, Lauren 在 20 千米 处

习题 20.1.10(补充题)

AMC 12

Steve 和 LeRoy 在离岸 11 英里的地方钓鱼时,他们的船漏水了,水以每分钟 1010 加仑的恒定速度涌进来。如果船里进水超过 3030 加仑,船就会沉。Steve 以每小时 44 英里的恒定速度朝岸边划船,同时 LeRoy 往船外舀水。要想不沉船到达岸边,LeRoy 舀水的速度最慢是每分钟多少加仑?

习题 20.1.13(补充题)

AIME

Jon 和 Steve 沿着一条小路骑自行车,小路与两条并排的东西向铁轨平行。Jon 以每小时 2020 英里的速度向东骑,Steve 以每小时 2020 英里的速度向西骑。两列长度相等的火车以恒定但不同的速度相向行驶,各自都从两名骑车人身旁经过。每列火车经过 Jon 都恰好用了 11 分钟。西行火车经过 Steve 所用的时间是东行火车的 1010 倍。每列火车的长度是 mn\frac{m}{n} 英里,其中 mm 和 nn 是互质的正整数。求 m+nm + n。

过关检测(第 20.0b 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

两列火车相距 300300 千米,分别以 7070 km/h 和 8080 km/h 相向而行。多少小时后它们相遇?

2

一名跑步者以 66 mph 从一个大门出发。三十分钟后,一名骑车人以 1818 mph 从同一个大门沿同一条路出发。骑车人出发后多少分钟追上跑步者?

3

一条 7070 米长的自动人行道以 22 m/s 的速度运行。你在上面顺着它的方向以 1.51.5 m/s 的速度行走。你要多少秒才能走到尽头?

20.1

练习题

在本节中,你将能够 把速率、方程和几何结合起来,解决两道较难的 AIME 题。

最后两道 AIME 题:一道藏着一个解为整数的方程组,另一道让三个骑车人绕着一块场地骑行。先为每个人写出“路程 = 速度 × 时间”。

其余的练习题放在第 20.0a 节和第 20.0b 节,紧挨着它们用到的知识。想在一页上看到全部题目?打开习题集。

竞赛角真实竞赛题

习题 20.1.11(补充题)

AIME

Ed 和 Sue 骑车的速度相同且恒定。同样,他们慢跑的速度也相同且恒定,游泳的速度也相同且恒定。Ed 骑车 22 小时、慢跑 33 小时、游泳 44 小时,一共行进了 7474 千米;Sue 慢跑 22 小时、游泳 33 小时、骑车 44 小时,一共行进了 9191 千米。他们骑车、慢跑和游泳的速度都是每小时整数千米。求 Ed 骑车、慢跑和游泳速度的平方和。

习题 20.1.12(补充题)

AIME

Ana、Bob 和 Cao 骑车的恒定速度分别是每秒 8.68.6 米、每秒 6.26.2 米和每秒 55 米。他们同时从一块长方形场地的东北角出发,场地较长的边沿正西方向。Ana 沿场地的边缘骑行,起初向西;Bob 沿场地的边缘骑行,起初向南;Cao 沿直线穿过场地,骑向场地南边上的一点 DD。Cao 到达点 DD 的同时,Ana 和 Bob 也第一次到达 DD。场地的长、场地的宽与点 DD 到场地东南角的距离之比可以表示为 p:q:rp : q : r,其中 pp、qq、rr 是正整数,且 pp 与 qq 互质。求 p+q+rp + q + r。