3步征服行程难题:柳卡图法图解(零基础秒懂):典型例题精讲
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2025-12-20
🚀 柳卡图法:把行程难题变成“连连看”的魔法图
💡 阿星起步:柳卡图法的底层逻辑
想象一下,你是个快递站老板,手下有两个快递员在同一条路上来回跑。你总被问:“他们第3次面对面碰上是什么时候?”“他们什么时候会同时回到起点?”光靠脑子想,是不是头都大了?
柳卡图法,就是帮你摆脱这种混乱的“可视化神器”。
它的本质非常简单:画一张“时间.路程”图。
- 横轴(马路)是时间:时间一分一秒往前走,就像一条从西到东的马路。
- 竖轴(楼房)是路程:从起点(比如0公里)到终点(比如\(AB\)两地距离),就像一排从低到高的楼房。
- 快递员的运动,就是一条折线:他从A到B,路程增加,线就向上斜;他从B返回A,路程减少,线就向下斜。
最妙的是:两个快递员的路线画在同一张图上,他们每一次相遇、每一次交错,都变成了两条折线的“交点”! 复杂的行程问题,瞬间变成了在图上“数交点”的几何游戏。这就是将抽象文字转化为直观图形的魔力。
🔥 三级跳挑战:从入门到大神
【入门例题】甲、乙两人在一条长\(90\)米的直路上来回跑步。甲从A端出发,速度是\(3\)米/秒;乙从B端同时出发,速度是\(2\)米/秒。如果他们共相遇(包括迎面和追上)\(10\)次,需要多少秒?
阿星拆解:这是最标准的柳卡图应用场景——“数交点”。
第一步:画坐标轴。横轴是时间\(t\)(秒),竖轴是位置\(s\)(米)。我们把A点设为\(s=0\),B点设为\(s=90\)。
第二步:画甲的运动线。甲从\(s=0\)出发,向B点跑。他的“斜率”(陡峭程度)代表速度。跑完全程\(90\)米需要 \(90 \div 3 = 30\) 秒。所以他在\(t=30\)秒时到达B点(\(s=90\)),然后立刻折返,向下斜着跑回A点,又需要\(30\)秒,在\(t=60\)秒时回到A点。如此反复,画出一条连续的“锯齿形”折线。
第三步:画乙的运动线。乙从\(s=90\)出发,向A点跑。速度\(2\)米/秒,跑完全程需要 \(90 \div 2 = 45\) 秒。所以他在\(t=45\)秒时到达A点(\(s=0\)),然后折返向上,在\(t=90\)秒时回到B点。也画出一条连续的“锯齿形”折线。
第四步:关键!找规律。我们把两条折线画在一起,观察它们的交点。可以发现,在第一个“公共周期”(即甲、乙都回到各自起点所需的时间,这里是\(180\)秒和\(90\)秒的最小公倍数\(180\)秒)内,两条线会相交很多次。
更简单的算法:**对于这种“端到端”的多次往返问题,柳卡有一个经典结论:在第一个完整周期内,相遇次数 = 速度之和 ÷ 单程距离 × 周期时间 ÷ 2?不,更直接的方法是:总相遇次数 ≈ (甲跑的趟数 + 乙跑的趟数) - 1。 但最通用、最不易错的方法还是——画图看交点! 对于本题,我们可以计算在\(180\)秒内,甲跑了 \(180 \div 60 = 3\)个来回(6个单程),乙跑了 \(180 \div 90 = 2\)个来回(4个单程)。他们在图中会形成一系列规则的交点。
经过观察(或推导公式),可以发现,从开始到第\(N\)次相遇所需时间 \(t_N = \frac{(2N-1) \times S}{v_1 + v_2}\),其中\(S=90\)米,\(v_1+v_2=5\)米/秒。这个公式怎么来的? 其实就是把两人想象成从两端相向而行,他们共同走完第1个单程相遇1次,共同走完3个单程相遇2次……共同走完\((2N-1)\)个单程相遇\(N\)次。总路程是\((2N-1)S\),速度和是\(v_1+v_2\)。
第五步:代入计算。求第10次相遇的时间:\(t_{10} = \frac{(2\times10-1) \times 90}{3+2} = \frac{19 \times 90}{5} = \frac{1710}{5} = 342\)秒。
【进阶例题】甲、乙在相距\(1800\)米的A、B两地来回散步。甲从A出发,速度为\(60\)米/分,20分钟后,乙从B出发,速度为\(90\)米/分。问甲出发后多久,两人第二次相遇?
阿星敲黑板:陷阱来了!两人不是同时出发。如果你套用刚才的公式,直接算第2次相遇,一定会错!柳卡图法的优势就在这里,它能清晰处理这种“不同时”的情况。
第一步:画坐标轴。横轴时间\(t\)(分),竖轴位置\(s\)(米)。A为0,B为1800。
第二步:画甲的线。甲从\(t=0\),\(s=0\)出发。他的周期是 \(1800 \div 60 = 30\)分钟(单程)。所以他的折线在\(t=30\)分时到B点,\(t=60\)分时回到A点。
第三步:画乙的线。注意!乙从\(t=20\)分时才开始运动,起点是\(s=1800\)。所以他的线是从点\((20, 1800)\)开始画。他的单程时间是 \(1800 \div 90 = 20\)分钟。所以他在\(t=40\)分时到A点,\(t=60\)分时回到B点。
第四步:在图上找“第二次相遇”的交点。第一个交点在乙出发后不久(大约\(t=28\)分处),这是第一次相遇。沿着时间轴继续向右找,第二个交点出现在\(t=36\)分左右。
第五步:精确计算第二次相遇。从图上看,第二次相遇发生在乙第一次从A返回B的路上,甲在第一次从B返回A的路上。设从甲出发开始计时为\(t\)分。
此时,甲已经走完一个单程(30分)并正在返回。甲走的路程是:\(60 \times t\)。由于是返回阶段,他的位置 \(s_{甲} = 1800 - [60t - 1800] = 3600 - 60t\)。(这个式子表示:他从B点往回走了\((60t-1800)\)米)。
乙从\(t=20\)分开始走,此时他在返回B的路上。乙走的时间是\((t-20)\)分,他走的路程是:\(90 \times (t-20)\)。由于他先从B到A,已经走了一个单程(20分),正在返回,所以他的位置 \(s_{乙} = 90 \times (t-20) - 1800 = 90t - 3600\)。(这个式子表示:他从A点向B点走了\((90t-1800)\)米,但减去从B到A的1800米,就是从A开始的位移)。
相遇时位置相等:\(3600 - 60t = 90t - 3600\)
移项得:\(3600+3600 = 90t+60t\)
\(7200 = 150t\)
解得:\(t = 48\)(分钟)。
看,如果我们不画图分析阶段,很可能用错公式。而图上清晰显示,第二次相遇时两人各自的运动阶段。
【拔高例题】一条河上有A、B两个码头,相距\(24\)千米。每天定时有甲、乙两艘客轮分别从A、B相向匀速开出,并在到达对方码头后立即返航。某天,甲船从A出发时掉下一个救生圈,随水漂流。已知水流速度为\(2\)千米/时,甲船在静水中速度为\(6\)千米/时,乙船在静水中速度为\(4\)千米/时。请问:救生圈与乙船第一次相遇时,距离A码头多少千米?
思维迁移:场景变成了“流水行船”,多了个随水漂的救生圈。很多人一下就懵了。但柳卡图法的核心思想——把运动画成线,把相遇看成交点——依然通用! 关键在于,我们要选择合适的参照物来画图。
这里最聪明的做法是:以“河岸”(或者A码头)为参照物,但考虑水流对速度的影响。
第一步:计算各物体对岸的速度。
甲船(顺流而下时):\(V_{甲下} = 6+2=8\) km/h。
甲船(逆流而上时):\(V_{甲上} = 6-2=4\) km/h。
乙船(逆流而上时,从B向A):\(V_{乙上} = 4-2=2\) km/h。
乙船(顺流而下时,从A向B):\(V_{乙下} = 4+2=6\) km/h。
救生圈(随水漂):\(V_{圈} = 2\) km/h(方向始终顺流)。
第二步:建立柳卡图。横轴时间\(t\)(时),竖轴距离\(s\)(千米,以A码头为0,B码头为24)。
我们先画救生圈的线:它从\(t=0\),\(s=0\)出发,速度\(2\) km/h,是一条斜率为2的直线(它不会折返!)。
我们再画乙船的线:乙船从\(t=0\),\(s=24\)出发。它先以\(2\) km/h的速度逆流而上(向A),走完全程需要 \(24 \div 2 = 12\)小时,在\(t=12\)时到达A点(\(s=0\))。然后立刻掉头,以\(6\) km/h的速度顺流而下,需要 \(24 \div 6 = 4\)小时,在\(t=16\)时回到B点(\(s=24\))。如此反复。
第三步:在图上找第一个交点。救生圈是一条缓慢上升的直线,乙船是一条从高点(24)先下降后上升的折线。它们的第一个交点,显然发生在乙船第一次从B到A的逆流行程中。
第四步:列方程计算。设从开始到相遇经过\(t\)小时。
救生圈的位置:\(s_{圈} = 2t\)。
乙船的位置(逆流而上):\(s_{乙} = 24 - 2t\)。
相遇时位置相等:\(2t = 24 - 2t\)
解得:\(4t = 24\), \(t = 6\)(小时)。
此时距离A码头的距离就是 \(s = 2 \times 6 = 12\)(千米)。
看!虽然加了水流,场景复杂了,但一旦我们在柳卡图上把救生圈和乙船都画出来,问题就退化成了最简单的“两条线求第一个交点”。这就是“将抽象文字描述转化为直观几何关系”的力量!
📝 阿星必背口诀:
遇题莫慌先画轴,对号入座标运动。
相碰就在交点处,斜率暗藏速度快慢中。
同时出发公式快,不同时段图里通。
参照选定是关键,化繁为简真英雄!
🚀 举一反三:变式挑战
甲、乙在\(100\)米泳池两端同时出发来回游。甲速\(2\)米/秒,乙速\(1.5\)米/秒。不计转身时间,求他们前5次相遇点的位置(距离甲起点的距离)。
已知在一条\(L\)米的路上,两人从两端同时出发往返跑。他们第5次和第8次相遇点相距\(60\)米,且速度比是\(3:2\)。求路长\(L\)。
甲、乙、丙三人同时从环形跑道同一地点同向出发。甲速\(5\)m/s,乙速\(4\)m/s,丙速\(2\)m/s。跑道长\(300\)米。请问出发后,甲第一次同时遇到乙和丙(即三人首次齐聚)是什么时候?(提示:在柳卡图上,这是三条折线的公共交点问题)
解析与答案
【详尽解析】
入门例题答案:\(342\)秒。核心是利用公式 \(t_N = \frac{(2N-1) \times S}{v_1 + v_2}\)。
进阶例题答案:\(48\)分钟。关键在于分段计算,利用柳卡图判断相遇时各自的运动阶段。
拔高例题答案:\(12\)千米。关键是以河岸为参照物,将救生圈和乙船的速度换算成对岸速度后画图。
变式一解析:相遇点位置有周期性。第一次相遇:\(t_1 = \frac{100}{3.5} \approx 28.57\)秒,距离甲起点:\(2 \times 28.57 \approx 57.14\)米。后续相遇点位置可用公式推导或画图得出,它们会对称分布在泳池中部。
变式二解析:设速度分别为\(3v\)和\(2v\)。第\(N\)次相遇时,两人总路程为\((2N-1)L\)。可分别表示出第5次和第8次相遇时,快者所走路程,其差对应的距离差是\(60\)米,由此列方程可解出\(L=100\)米。
变式三核心提示:这需要将环形跑道“拉直”成周期性折线来思考。在柳卡图(时间-位置图)上,甲、乙、丙三人的线都是周期性上升的折线(斜率代表速度)。甲同时遇到乙和丙,意味着在图上找一点,使得甲分别与乙、丙的两条线相交。这等价于求甲-乙相遇和甲-丙相遇的两个时间序列的重合点。先分别求出甲追上乙和甲追上丙的周期,再求这两个周期序列的最小公共时间点。计算可得首次齐聚时间为\(300\)秒。
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