星火网
首页 灵感 学院 工具 投稿

牛吃草问题秒懂!一根会“转弯”的绳子,教会孩子所有扇形面积题:典型例题精讲

适用年级

五年级

难度等级

⭐⭐⭐

资料格式

PDF 可打印

最近更新

2025-12-20

牛吃草几何:像遛狗一样,看懂“绳子转弯”的面积秘密

💡 阿星起步:牛吃草几何 的底层逻辑

想象一下,你养了一头牛(或者一只贪吃的羊),把它用一根长绳子拴在院子角落的木桩上。它能吃到多少草呢?

如果院子一望无际,它就能吃出一个完美的圆形草场,面积就是 \(\pi \times \text{绳子长度}^2\)。但现实是,院子有围墙!当绳子碰到墙角时,它就不能笔直地伸过去了,必须“转弯”。

“绳子的转弯”就是这个问题的灵魂:牛走到墙角,绳子会被墙角挡住一部分,剩下的长度才能继续延伸。这就好像你牵狗遛弯,遇到墙角,狗绳会贴着墙转过去。每转一个弯,绳子的“有效长度”就缩短一次,牛能吃到草的区域,就从一个大圆,变成了几个半径不同的扇形拼图

我们学的“牛吃草几何”,本质就是计算这根会“转弯的绳子”能划出的最大面积。你不用怕,它就是“画扇形、找半径、加一起”的拼图游戏。

🔥 三级跳挑战:从入门到大神

【入门例题】一个边长是 \(10\) 米的正方形院子,在其中一个角落拴着一头牛,拴牛的绳子长 \(10\) 米。请问这头牛能吃到草的面积是多少平方米?(\(\pi\) 取 \(3.14\))

🌱

阿星拆解:

1. 画图想象:牛在正方形的一个角,绳子长等于边长。一开始,牛可以走 \(90\) 度(四分之一圆),吃到院子里的草。

2. 第一次“转弯”:当牛走到相邻的另一边墙时(比如从东墙走到南墙),绳子碰到墙角。此时,绳子剩下的长度是 \(10 - 10 = 0\) 米了吗?错! 注意,牛是从角落出发的,它走到最近的一个墙角只需要走完一条边(10米),但绳子是从角落木桩出发的,当牛走到这个墙角时,绳子是沿着两条墙“贴”过去的,实际用了 \(10+10=20\) 米的绳子长度吗?不对! 我们重新想。

3. 正确思路(零跳步):牛在角上,院子是边长 \(10\) 米的正方形,绳子长 \(10\) 米。

  • 区域一:在院子内部,没有墙阻挡,牛可以扫过一个以角落为圆心、\(10\)米为半径的四分之一圆。面积 = \(\frac{1}{4} \times \pi \times 10^2 = \frac{1}{4} \times 3.14 \times 100 = 78.5\) 平方米。
  • 区域二:牛吃完这个四分之一圆后,绳子还有多余吗?没有了,因为院子边长正好10米,绳子10米长,刚好够到对面的墙边,但无法越过墙。所以,没有“转弯”后新的扇形了!

4. 结论:能吃到的面积就是那一个四分之一圆,\(78.5\) 平方米

看,第一题很简单,就是画出一个扇形。但我们要为“转弯”做好准备。

【进阶例题】一个边长是 \(12\) 米的正方形院子,在其中一个角落拴着一头牛,拴牛的绳子长 \(18\) 米。请问这头牛能吃到草的面积是多少平方米?(\(\pi\) 取 \(3.14\))

⚠️

阿星敲黑板:陷阱来了!绳子长度 (\(18\)米) 大于 院子边长 (\(12\)米)了。这意味着牛吃完院子里的四分之一圆后,绳子还有剩,可以拉着在墙外“转弯”,继续吃!但“转弯”后半径会缩短。

拆解步骤:

1. 区域一(院内扇形):以角落为圆心,绳子全长 \(18\)米为半径,在院内画一个90度的扇形。等等!这样画对吗?不对!因为院子只有12米宽,绳子在院内部分最多只能伸展12米就会碰到对面的墙。所以,牛在院内能吃的,实际上是一个以 \(12\)米 为半径的四分之一圆(因为院子是方的,它最多走到相邻的两边墙)。

计算:面积 \(S_1 = \frac{1}{4} \pi \times 12^2 = \frac{1}{4} \times 3.14 \times 144 = 113.04\) 平方米。

2. “转弯”分析:牛在院内吃完后,绳子还剩下 \(18 - 12 = 6\) 米。这剩下的6米绳子,可以在墙外继续划出吃草区域。注意,牛现在可以沿着两面墙的外侧移动。

3. 区域二(墙外扇形1):牛沿着其中一面墙走到尽头,剩下的6米绳子可以划出一个以6米为半径的四分之一圆(圆心在墙角,角度90度)。面积 \(S_2 = \frac{1}{4} \pi \times 6^2 = \frac{1}{4} \times 3.14 \times 36 = 28.26\) 平方米。

4. 区域三(墙外扇形2):同理,在另一面墙的外侧,也有一个完全一样的四分之一圆。面积 \(S_3 = 28.26\) 平方米。

5. 总面积:\(S = S_1 + S_2 + S_3 = 113.04 + 28.26 + 28.26 = 169.56\) 平方米。

核心:绳子每被墙“挡”一次(转弯一次),用于画下一个扇形的半径就会缩短,缩短的长度就是它刚才经过的那面墙的长度(这里是12米)。

【拔高例题】一个长 \(20\) 米、宽 \(15\) 米的长方形院子,在一条长边中间的门口(将长边分为两段 \(10\) 米)拴着一头牛,绳子长 \(25\) 米。请问牛能吃到草的最大面积是多少?(\(\pi\) 取 \(3.14\),假设院门处无阻挡)

🚀

思维迁移:场景变了!拴牛点从角落挪到了墙中间。但“绳子的转弯”原理变了吗?丝毫没变! 绳子依然会先划出一个半圆(因为点在中间,左右无阻挡,角度是180度),直到碰到两侧的墙角,然后转弯,半径缩短。

解题逻辑:

1. 区域一(中央半圆):以门口为中心,绳子全长 \(25\)米为半径,在院内先划一个180度的半圆。但是,这个半圆能完整画出来吗?检查一下:从中心到最近的墙角距离是 \(10\)米(因为门口在长边中点,到两侧角落的水平距离是10米),而竖直方向到对面墙距离是 \(15\)米。绳子长25米,远大于10米和15米,所以这个半圆在碰到左右两个墙角之前,会先碰到正前方的宽边墙吗?我们来算:从门口到正面宽边的垂直距离是15米 < 25米,所以会先碰到正面的墙。但“碰到墙”不是转弯点,当绳子贴着正面墙继续向左右伸展,直到碰到左前角右前角时,才发生第一次“转弯”。这个过程比较复杂。

更稳妥的思路是:先考虑没有两侧墙的理想情况——那就是一个半径25米的半圆。但实际有墙,所以我们要看绳子在哪个方向最先被墙角阻挡。

2. 简化思考(关键):把院子看作障碍物。牛从门口出发,它能自由活动的区域是一个半径25米的大圆的一部分。这个圆被长方形的墙切掉了哪些部分?被切掉的部分,就需要用“转弯”后半径缩短的扇形来补上。

3. 分区计算:

  • 正面扇形:门口正前方,直到碰到15米外的对面墙,这部分可以形成一个以25米为半径的扇形吗?不能直接形成,因为墙是直的。实际上,在正面中央区域,绳子可以直达25米处(如果墙不存在)。但因为有墙在15米处,所以当绳子长度 > 15米时,它就会贴着墙向左右“分流”。这其实对应了两个“转弯”过程
  • 实用方法:我们画图可知,能吃草的区域由三部分组成:

    ① 一个以门口为圆心,25米为半径的180度大扇形(S1)。

    ② 但是,这个扇形左右两边超出院子的部分被墙挡住了。实际超出部分,需要加上两个“转弯”后的小扇形。具体是:当绳子碰到左前角(距离门口:\(\sqrt{10^2+15^2}=\sqrt{325} \approx 18.03\)米)时,绳子还剩 \(25 - 18.03 = 6.97\)米。这6.97米可以在左前角外划出一个四分之一圆(S2)。右边同理(S3)。

    ③ 另外,在正前方,绳子碰到对面墙(15米处)后,还剩10米。但这10米在左右两端已经被S2和S3覆盖了,中间部分其实包含在S1里,所以不能重复计算

4. 计算验证(简化版):本题计算非常复杂,涉及扇形和三角形的重叠。对于小白,我们理解其思维原型即可:核心依然是“大扇形 + 转弯后的小扇形”。在复杂地形中,关键是找到绳子第一次碰到墙角的位置,那里就是“转弯点”,转弯后的新半径 = 原半径 - 转弯点拴牛点的距离。

本题的详细计算超出入门范围,但思维链条是清晰的:定位转弯点 → 计算转弯后剩余绳长 → 画出新扇形

📝 阿星必背口诀:
牛吃草,绳儿绕,碰到墙角就拐道。
大扇形,先画好,半径缩短再补小。
找拐点,算剩长,扇形面积加一加,复杂问题也不慌!

🚀 举一反三:变式挑战

变式一:模仿练习

一个边长 \(8\) 米的正方形羊圈,在角落拴一只羊,绳子长 \(14\) 米。羊能吃到草的面积是多少?(π取3.14)

变式二:逆向思维

在一个边长 \(10\) 米的正方形院子角落拴牛,牛能吃到 \(196.25\) 平方米的草(π取3.14)。请问拴牛的绳子至少有多长?

变式三:综合挑战

一个半径为 \(5\) 米的圆形围栏,在围栏边上拴一匹马,绳子长 \(8\) 米。马在围栏外能吃到草的面积是多少?(π取3.14)提示:围栏的弧线,也相当于无数个“小墙角”。


解析与答案

【详尽解析】

入门例题答案: \(78.5\) 平方米。

进阶例题答案: \(169.56\) 平方米。

拔高例题核心提示: 本题旨在展示思维迁移。精确计算需将区域分为:一个180度半径25米的大扇形,加上左右两个墙角处(左前角和右前角)“转弯”形成的两个四分之一小扇形(半径分别为 \(25 - \sqrt{10^2+15^2}\))。实际计算较为复杂,理解其“转弯”原理即可。

举一反三解析:

  1. 变式一: 院内四分之一圆(半径8米) + 两侧墙外两个四分之一圆(半径14-8=6米)。面积 = \(\frac{1}{4}\pi\times8^2 + 2\times\frac{1}{4}\pi\times6^2 = 50.24 + 56.52 = 106.76\) 平方米。
  2. 变式二: 已知总面积 \(196.25\)。假设绳子长 \(L\) 米 > 10米。则面积公式为:\(\frac{1}{4}\pi\times10^2 + 2\times\frac{1}{4}\pi\times(L-10)^2 = 196.25\)。即 \(78.5 + 1.57\times(L-10)^2 = 196.25\),解得 \((L-10)^2 = 75\), \(L-10=5\sqrt{3}\approx8.66\),\(L\approx18.66\)米。绳子至少约 \(18.66\) 米。
  3. 变式三: 这是一个“动态转弯”问题。马在围栏外吃草的区域,是一个半径为8米的大圆,但需要扣掉被圆形围栏挡住的部分。更巧妙的看法是:绳子一端在围栏边上,当马走动时,绳子一部分会贴在圆形围栏的弧线上“转弯”,剩余部分才是画扇形的半径。这需要用到“皮带”或“切线”模型,最终可求出面积为:\(\frac{3}{4}\pi\times8^2 + \frac{1}{2}\pi\times(8-5)^2 = 150.72 + 14.13 = 164.85\) 平方米(此计算涉及更高级模型,仅供学有余力者拓展)。

PDF 典型例题打印版

为了节省资源,点击后将为您即时生成 PDF