我們先整理已知條件:
- 軌道長 \( L = 120 \) 公分
- A 從左端(位置 0)出發向右,速率 \( v_A = 5 \) cm/s
- B 從右端(位置 120)出發向左,速率 \( v_B = 10 \) cm/s
- 碰到端點就反向(彈性碰撞,速度反向)
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## 1. 第一次相遇
初始相距 \( 120 \),相對速度 \( 5 + 10 = 15 \) cm/s
第一次相遇時間 \( t_1 = \frac{120}{15} = 8 \) 秒
A 移動 \( 5 \times 8 = 40 \) cm,從位置 0 到 40
B 移動 \( 10 \times 8 = 80 \) cm,從位置 120 到 40
所以第一次相遇在位置 40。
**(1)** 說「與其中一個端點的距離為 40 公分」
從左端 0 到 40 是 40 cm,從右端 120 到 40 是 80 cm,所以「與其中一個端點」的距離是 40 cm 沒錯。 ✅
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## 2. A 的週期
A 從 0 到 120 需 \( \frac{120}{5} = 24 \) 秒,再從 120 回到 0 需 24 秒,所以回到原位置且速度方向相同(向右)的週期是 \( 48 \) 秒。
但題目 (2) 說「位置呈週期現象,週期為 24 秒」:
位置函數(不考慮方向)在反彈後會對稱,但從 0 到 120 再回到 0 的「位置圖」是三角波,半週期 24 秒回到原點但速度反向,全週期 48 秒才完全重複(位置與速度方向都相同)。
如果只考慮位置(不考慮速度方向),週期是 24 秒嗎?
檢查:
A 在 t=0 位置 0,t=24 位置 120,t=48 位置 0,所以位置函數 \( x_A(t) \) 滿足 \( x_A(t+24) = L - x_A(t) \),不是 \( x_A(t+24) = x_A(t) \),所以位置本身週期不是 24,而是 48。
因此 (2) ❌
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## 3. A 回到出發點時 B 是否也在出發點
A 回到出發點(位置 0)的時間:
從 0 到 120 需 24 秒(在右端),再回到 0 需 48 秒(在左端),所以回到出發點的時間是 48 秒的整數倍: \( t = 48k \) 秒。
B 的運動:從 120 向左到 0 需 \( \frac{120}{10} = 12 \) 秒,再從 0 向右到 120 需 12 秒,所以 B 回到出發點(位置 120)的時間是 \( t = 24m \) 秒(因為每 24 秒回到右端一次)。
A 回到出發點的時間:48, 96, ...
B 回到出發點的時間:24, 48, 72, 96, ...
在 48 秒時,A 在 0(出發點),B 在 120(出發點)嗎?
檢查 B:
0–12 秒:B 從 120 到 0
12–24 秒:B 從 0 到 120(t=24 在 120)
24–36 秒:B 從 120 到 0
36–48 秒:B 從 0 到 120(t=48 在 120) ✅
所以 t=48 時兩者都在出發點。
**(3)** 說「當光點 A 回到 A 的出發點時,光點 B 也在 B 的出發點」
我們只驗證了 t=48 秒成立,但題目意思是「每次 A 回到出發點時,B 也在出發點」?
A 回到出發點時間:48k
B 回到出發點時間:24m
48k 必是 24 的倍數,所以 B 在端點,但不一定在「B 的出發點(120)」?
B 的出發點是 120,B 在端點有兩個:0 和 120。
B 在 t=24m 時在 120,在 t=12+24m 時在 0。
48k 是偶數個 24,所以 m 是偶數? 48k/24 = 2k 是偶數,所以 B 在 120。
所以確實每當 A 在 0 時,B 在 120。
因此 (3) ✅
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## 4. 第二次相遇在端點?
第一次相遇在 t=8,位置 40。
之後兩者交換速度嗎?不,是實際的物體,不是交換速度的質點,所以各自繼續運動(但反向)。
第一次相遇後:
A 在 40 向右 5,B 在 40 向左 10。
B 先到左端 0:從 40 到 0 需 4 秒(B 向左 10 cm/s),此時 t=12。
A 從 40 向右走 4 秒到 60。
B 在 0 反彈向右 10,A 在 60 向右 5。
從 t=12 起:
A 在 60 向右 5,B 在 0 向右 10,B 追 A? 相對速度 5,距離 60,需 12 秒,在 t=24 時追上。
位置:B 從 0 向右 10×12=120,到 120(右端),A 從 60 向右 5×12=60,到 120。
所以第二次相遇在 t=24,位置 120(右端)。
**(4)** 說「第二次相遇在其中一個端點上」✅
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## 5. 共有 3 個不同的相遇位置
第一次:位置 40
第二次:位置 120
第三次相遇:
第二次相遇在 t=24 位置 120 時,A 本來向右到右端 120,B 向左? 不對,檢查 t=24 時:
A 在 120 正要反彈向左 5,B 在 120 正要反彈向左? 不對,B 在 t=24 時從右端 120 反彈向左 10,所以兩者都在 120 反彈向左,但速度不同(A 向左 5,B 向左 10)。
所以第三次相遇:
t=24 後,B 速度 10 向左,A 速度 5 向左,B 在前面? 不對,位置相同,B 更快向左,所以 B 會在前面,那怎麼相遇?
其實它們在端點相遇後,B 較快向左,A 較慢向左,所以 B 在前面,不可能再相遇,除非 B 到左端反彈向右再追上 A。
我們改用相對運動分析:
在坐標系中,把反彈展開成直線運動(鏡像法):
A 的展開位置函數:\( X_A(t) = 5t \)(模 240 的三角波轉成直線 5t 再折回)
B 的展開位置函數:\( X_B(t) = 120 - 10t \)(模 240 的三角波)
相遇時 \( 5t \equiv 120 - 10t \pmod{240} \)
即 \( 15t \equiv 120 \pmod{240} \)
\( 15t = 120 + 240k \)
\( t = 8 + 16k \)
k=0: t=8(位置 40)
k=1: t=24(位置 120)
k=2: t=40(位置 40)
k=3: t=56(位置 120)
… 交替在 40 和 120 相遇。
所以只有 2 個不同相遇位置:40 和 120。
**(5)** 說「共有 3 個不同的相遇位置」❌
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**正確選項:** (1)(3)(4)
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**答案:** \(\boxed{1,3,4}\)
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