乌鸦喝水数学原理:一招解决“水中浸物”水面上升难题 | 小学数学可视化指南:典型例题精讲
适用年级
五年级
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⭐⭐⭐
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最近更新
2025-12-20
乌鸦喝水里的数学:一眼看穿“水中浸物”的奥秘
💡 阿星解密:为什么公式长这样?
想象一个经典的场景:乌鸦喝水。瓶子里有水但不够高,乌鸦叼来小石子,一颗一颗丢进去。水面慢慢上升,最后乌鸦终于喝到了水。
阿星一语道破天机:水面上升的体积,正好等于丢进去的所有石子的体积。 水就像一层柔软的“被子”,石头沉下去,会占用一部分空间,把水“挤”到上面去。被“挤”上去的这部分水(也就是上升的水柱),它的体积必须等于石头的体积,因为水不会被凭空创造或消灭。
👀 看图说话:乌鸦的数学实验
关键点拨:
看右边“放入石块后”的图。石块沉底,蓝色的水位上升了。被红色虚线框住的“上升的水柱”,是一个看不见但算得出的隐形长方体!它的底面积就是容器的底面积,它的高度就是水位上升的高度。
慢动作回放: 1. 石块入水 → 2. 石块占据一部分水的空间 → 3. 这部分水被“排挤”到上面 → 4. 整个水面因此均匀上升。所以,我们只要算出上升的这部分“水柱”的体积,就等于知道了石块的体积。反过来,知道石块体积和容器底面积,就能求出水位上升了多少。
🔥 三级跳挑战:从陷阱到精通
【母题演示】一个长方体容器,长10厘米,宽8厘米,里面原有水深5厘米。放入一个棱长为4厘米的正方体铁块(完全浸没),水面会上升多少厘米?
阿星的显微镜(画图验证):
我们先“画”出体积:
铁块体积:
●●●● 4cm
●●●● ↑
●●●● |
●●●● 4cm
←4cm→
体积 = 4 × 4 × 4 = 64 (立方厘米)
这64立方厘米的水被挤上去,形成一个新的“水柱”:
▁▁▁▁▁▁▁▁▁ 新水位
▔▔▔▔▔▔▔▔▔ 原水位 (5cm高)
← 10cm →
(底面积 10×8=80平方厘米)
标准算式:
第一步:求物体体积 \( V_{物} = 4 \times 4 \times 4 = 64 \text{(cm³)} \)
第二步:套用核心原理 \( V_{物} = V_{上升水柱} = S_{容底} \times h_{上升} \)
第三步:求上升高度 \( h_{上升} = V_{物} \div S_{容底} = 64 \div (10 \times 8) = 64 \div 80 = 0.8 \text{(cm)} \)
【易错陷阱】一个长20厘米,宽15厘米的玻璃缸,水深10厘米。现在将一块长10厘米,宽6厘米,高8厘米的长方体铁块竖直放入(完全浸没),水面上升多少厘米?
阿星的避雷针:
大多数人会怎么错:直接用容器底面积减去物体底面积来计算“剩余”的水面面积。
错误算式:\( h_{上升} = \frac{10 \times 6 \times 8}{(20 \times 15) - (10 \times 6)} \)
图解陷阱:这种想法是把物体想象成“插”在水里,周围一圈水包围它。但根据“乌鸦喝水”原理,水面是整体均匀上升的,物体占用的空间会把水往所有方向上方挤,而不是只在物体周围留出空隙。上升水柱的底面积始终是整个容器的底面积,与物体形状、放置方式无关(只要完全浸没)。
正确思路:牢牢抓住“上升水柱体积=物体体积”,上升水柱的底面积就是容器的底面积。
1. \( V_{物} = 10 \times 6 \times 8 = 480 \text{(cm³)} \)
2. \( S_{容底} = 20 \times 15 = 300 \text{(cm²)} \)
3. \( h_{上升} = 480 \div 300 = 1.6 \text{(cm)} \)
【高手进阶】一个长方体鱼缸,从里面量长6分米,宽4分米,高5分米,水深3.5分米。放入一块美丽的珊瑚石(完全浸没)后,水面上升到离缸口只有3厘米的位置。这块珊瑚石的体积是多少立方分米?
思维迁移:这题是“乌鸦喝水”原理的逆向应用。我们不知道物体的体积,但可以通过测量它“挤”上去的“水柱”高度来反推。关键在于找到水位上升的高度。原来水深3.5分米,放入后水面离缸口(高5分米)3厘米(即0.3分米),所以新水深为 \( 5 - 0.3 = 4.7 \) 分米。上升高度就是 \( 4.7 - 3.5 = 1.2 \) 分米。那么,上升的这部分“水柱”体积就是珊瑚石的体积。
📝 阿星的定海神针(口诀):
水中浸物不用慌,乌鸦喝水来帮忙。
上升水柱体积量,等于沉入物体积藏。
水柱底面积,就是容器底。
除或乘,灵活算,核心等式心中放。
🚀 举一反三:巩固练习
一个长8分米、宽6分米的长方体水槽,水深4分米。放入一个棱长5分米的正方体铁块(完全浸没),水面会上升多少分米?
(陷阱识别)一个底面积为80平方厘米的圆柱形容器,水面高12厘米。将一个底面积为20平方厘米、高10厘米的圆柱形铁块竖直浸入水中(完全浸没)。有同学列式:上升高度 = (20×10) / (80-20)。他错在哪里?正确算式是什么?
(生活应用)小明的长方体水箱,长50cm,宽40cm,放入一些观赏鱼后,水深从25cm升到了28cm。这些观赏鱼的总体积大约是多少立方厘米?
📚 答案与解析
【答案速查】
练习一:\( h = (5×5×5) ÷ (8×6) = 125 ÷ 48 ≈ 2.6 \) (分米)
练习二:错在误用了“剩余底面积”。根据核心原理,上升水柱底面积就是容器底面积80cm²。正确算式:\( h = (20×10) ÷ 80 = 200 ÷ 80 = 2.5 \) (厘米)。
练习三:鱼的体积等于上升水柱体积:\( V = 50×40×(28-25) = 2000×3 = 6000 \) (立方厘米)。
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