运动图形 · 中四

运动图形:例题(中等)

这组题把两三个步骤连起来:含休息段的距离-时间行程、用梯形面积求总距离,以及求减速度并算出其距离。适合从单步读图进阶到综合题的学生。

例题 1

一辆汽车的距离-时间图有三段直线:从 O 出发在 1.5 小时内行驶 90 km,然后休息(水平线)0.5 小时,再在 1 小时内行驶 30 km。求 (a) 最后一段的速率,及 (b) 整段行程的平均速率。

  1. (a) 最后一段的速率 = 梯度 = 距离 ÷ 时间 = 30 ÷ 1 = 30 km/h。
  2. (b) 平均速率用总距离 ÷ 总时间,而且必须把休息时间算进去。
  3. 总距离 = 90 + 30 = 120 km。
  4. 总时间 = 1.5 + 0.5 + 1 = 3 小时。
  5. 平均速率 = 120 ÷ 3 = 40 km/h。

例题 2

在速率-时间图上,一列火车在 6 s 内从 8 m/s 均匀加速到 20 m/s,然后以 20 m/s 的匀速率行驶 10 s。求这 16 s 内所行驶的总距离。

  1. 第一阶段(加速)是一个梯形;距离 = 面积 = ½ × (两条平行速率之和) × 时间 = ½ × (8 + 20) × 6。
  2. = ½ × 28 × 6 = 84 m。
  3. 第二阶段(匀速率)是一个长方形;距离 = 20 × 10 = 200 m。
  4. 总距离 = 84 + 200 = 284 m。

例题 3

一辆以 24 m/s 行驶的巴士均匀刹车,在 8 s 内停下。根据它的速率-时间图,求 (a) 减速度,及 (b) 它在停车过程中所行驶的距离。

  1. (a) 梯度 = (末速率 − 初速率) ÷ 时间 = (0 − 24) ÷ 8 = −3 m/s²;负号表示在减速,所以减速度是 3 m/s²。
  2. (b) 从 24 m/s 到 0 历时 8 s,形状是三角形;距离 = 面积 = ½ × 底 × 高。
  3. = ½ × 8 × 24 = 96 m。

例题 4

一个距离-时间图从 O 以直线上升到 (8, 160),然后从 (8, 160) 到 (20, 160) 保持水平。距离以米计,时间以秒计。

求 (a) 前 8 秒的速率,及 (b) 整个 20 秒的平均速率。

  1. (a) 第一段的速率 = 斜率 = 160 ÷ 8 = 20 米/秒。
  2. 水平部分表示物体静止,所以总距离 = 160 米。
  3. (b) 平均速率 = 总距离 ÷ 总时间 = 160 ÷ 20。
  4. 平均速率 = 8 米/秒。

例题 5

在速率-时间图上,一列火车的速率在 8 秒内从 30 米/秒 均匀降到 10 米/秒,然后在接下来的 12 秒保持 10 米/秒 恒定。求这 20 秒内所行驶的总距离。

  1. 第一段是梯形:面积 = ½ × (30 + 10) × 8 = ½ × 40 × 8 = 160 米。
  2. 第二段是长方形:面积 = 10 × 12 = 120 米。
  3. 总距离 = 160 + 120。
  4. 总距离 = 280 米。

例题 6

一辆货车的速率在 5 秒内从 12 米/秒 均匀增加到 32 米/秒,在速率-时间图上以一条直线表示。求 (a) 加速度,及 (b) 这 5 秒内所行驶的距离。

  1. (a) 加速度 = (32 − 12) ÷ 5 = 20 ÷ 5 = 4 米/秒²。
  2. (b) 距离 = 梯形面积 = ½ × (12 + 32) × 5。
  3. 距离 = ½ × 44 × 5 = 110 米。

例题 7

一辆汽车的速度-时间图由三段直线组成:先从静止匀加速到 20 m/s,用时 5 秒;接着以恒定的 20 m/s 行驶 15 秒;然后匀减速至静止,用时 4 秒。求总行驶距离。

  1. 距离 = 速度-时间图下方的总面积,分三部分计算
  2. 第一部分(三角形):½ × 5 × 20 = 50 m
  3. 第二部分(长方形):15 × 20 = 300 m
  4. 第三部分(三角形):½ × 4 × 20 = 40 m
  5. 总距离 = 50 + 300 + 40 = 390 m

例题 8

一名骑自行车者的速度-时间图显示:在最初的 8 秒内,速度从 12 m/s 匀速下降到 4 m/s;接着在其后的 6 秒内,速度又从 4 m/s 匀速上升回 12 m/s。求 (a) 最初 8 秒内的加速度,以及 (b) 这 14 秒内的总行驶距离。

  1. (a) 加速度 = (末速度 − 初速度)/时间 = (4 − 12) ÷ 8 = −1 m/s²(即减速度 1 m/s²)
  2. (b) 最初 8 秒的距离(梯形)= ½ × (12 + 4) × 8 = 64 m
  3. 其后 6 秒的距离(梯形)= ½ × (4 + 12) × 6 = 48 m
  4. 总距离 = 64 + 48 = 112 m

资料来源:DSKP KSSM Mathematics Form 4 and 5 (Versi English)

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常见问题

运动图像中等难度题目的关键技巧是什么?

中等难度题目通常在一张速度-时间图上呈现多阶段的旅程,加速、匀速、再减速。每一段图形下方的面积就代表该阶段所走的距离,所以要把图形拆分成三角形和梯形分别求面积,再相加得到总距离。

这是求总路程最可靠的方法,比试图记忆某个整体公式更不容易出错。

为什么平均速度不能简单地对图中各段速度取平均值?

平均速度的定义是总距离除以总时间,而旅程中各个阶段所持续的时间长短通常并不相同。如果直接把各段速度数值取平均,就忽略了物体在每个速度上实际行驶了多久,这样算出的结果是错误的,正确做法是先分别求出总距离(即图形面积)和总时间,再相除得到平均速度。

如果图中某些数值用未知数表示(如时间=t),该如何处理?

处理方法和数字一样,先用未知数把面积或斜率的表达式正确写出来,再利用题目给出的某个总量(比如总距离或总时间)列出方程,解出这个未知数。求出未知数后,别忘了把它代回原来的表达式中,才能得到题目真正要问的那个量,而不是把解出的未知数本身当作最终答案。

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