甲、乙两地相距140千米,已知人的步行速度是每小时10千米,摩托车的速度是每小时70千米,摩托车的后座只可以带一个人,当三人并配备一辆摩托车从甲地到乙地至少需要多少小时?

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完整解法

1. 设未知数并分析第一阶段(A带B,C步行)的过程

设三人分别为A、B、C,其中A驾驶摩托车。设A带B行驶的距离为 xx 千米时放下B,B步行前往终点。
由于摩托车的速度为 7070 千米/小时,A带B的时间为:
t1=x70(小时)t_1 = \frac{x}{70} \text{(小时)}
在这段时间内,C步行的路程为:
s1=10×x70=x7(千米)s_1 = 10 \times \frac{x}{70} = \frac{x}{7} \text{(千米)}
此时,A和B在距离起点 xx 千米处,C在距离起点 x7\frac{x}{7} 千米处。

2. 分析第二阶段(A返回与C相遇)的过程并确定相遇位置

A放下B后立即调头返回接C。此时A与C相距:
x−x7=6x7(千米)x - \frac{x}{7} = \frac{6x}{7} \text{(千米)}
A与C相向而行,相遇所需时间为:
t2=6x770+10=3x280(小时)t_2 = \frac{\frac{6x}{7}}{70 + 10} = \frac{3x}{280} \text{(小时)}
在此期间,C步行的路程为:
s2=10×3x280=3x28(千米)s_2 = 10 \times \frac{3x}{280} = \frac{3x}{28} \text{(千米)}
因此相遇时,C距离起点的总路程为:
s1+s2=x7+3x28=x4(千米)s_1 + s_2 = \frac{x}{7} + \frac{3x}{28} = \frac{x}{4} \text{(千米)}

3. 根据对称性建立一元一次方程

A接到C后,带C行驶剩下的路程到达终点,此段路程为 140−x4140 - \frac{x}{4} 千米。
要使总时间最少,根据对称性,B和C步行的路程及乘车路程应当分别相等,即A送B的摩托车行驶路程应等于A送C的摩托车行驶路程:
x=140−x4x = 140 - \frac{x}{4}

4. 解方程并求出最少总时间

解方程 x=140−x4x = 140 - \frac{x}{4},得:
54x=140  ⟹  x=112(千米)\frac{5}{4}x = 140 \implies x = 112 \text{(千米)}
此时各阶段时间分别为:

  • 第一阶段(A带B至112千米处):t1=11270=1.6t_1 = \frac{112}{70} = 1.6 小时
  • 第二阶段(A返回在28千米处接C):t2=3×112280=1.2t_2 = \frac{3 \times 112}{280} = 1.2 小时
  • 第三阶段(A带C从28千米处至140千米处):t3=140−2870=1.6t_3 = \frac{140 - 28}{70} = 1.6 小时
    所以三人从甲地到乙地至少需要的时间为:
    t=t1+t2+t3=1.6+1.2+1.6=4.4(小时)t = t_1 + t_2 + t_3 = 1.6 + 1.2 + 1.6 = 4.4 \text{(小时)}
答案

4.4小时

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