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别再死记公式!用“牛吃草”思维,秒解抽水机/排水管难题(零基础直达大神):典型例题精讲

适用年级

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⭐⭐⭐

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最近更新

2025-12-20

💡 阿星起步:抽水机问题的底层逻辑

想象一下,你家的浴缸正在哗哗地放水,但底部有个小洞,水也在慢慢漏掉。你既要放满一缸水来泡澡,又要防止它漏光,这时候你是不是很想知道:到底放水的速度要比漏水的速度快多少,浴缸才能被填满?

这就是抽水机问题的核心——动态平衡

把我们的场景放大:一个大水池,它有自己的进水管(想象成雨水或者地下水在往池子里“长草”),也有排水管(就是我们的“抽水机”在“吃草”)。我们要研究的是:
- 如果只开排水管,多久能排空?
- 如果进水管和排水管一起开,多久能排空?或者说,水池会不会永远排不空?

它的本质,就是一场“进水”和“排水”的赛跑。我们不是简单地做加减法,而是要先找到一个不变量——水池里原本有多少水(可以想象成草地上最开始有多少“存草”)。

所以,为什么要学它? 因为它教会你如何用数学的眼睛,去看清一个动态变化的世界,找到那个影响结局的关键平衡点。公式只是工具,动态平衡的思想才是宝藏。

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🔥 三级跳挑战:从入门到大神

【入门例题】一个水池,有一个进水管和一个排水管。只打开进水管,\(60\)分钟能灌满水池;只打开排水管,\(90\)分钟能排空满池的水。问:如果进水管和排水管同时打开,需要多少分钟才能灌满这个空水池?

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阿星拆解:

第1步:理解“工作总量”。把整个水池的水量看作“1”。(就像把整片草地的草量看作“1份”)

第2步:把水管变成“工作效率”。

- 进水管:\(60\)分钟灌满“1”,所以每分钟进水 \(\frac{1}{60}\)。

- 排水管:\(90\)分钟排空“1”,所以每分钟排水 \(\frac{1}{90}\)。

第3步:分析同时开的“净效果”。

两管齐开,一分钟内:进水 \(\frac{1}{60}\), 排水 \(\frac{1}{90}\)。

那么水池实际增加的水量是:\(\frac{1}{60} - \frac{1}{90}\)。

我们计算一下:\(\frac{1}{60} = \frac{3}{180}\), \(\frac{1}{90} = \frac{2}{180}\)。

所以,净增水量 = \(\frac{3}{180} - \frac{2}{180} = \frac{1}{180}\)。

这意味着,两管同开,每分钟能灌进水池 \(\frac{1}{180}\) 的水量

第4步:计算灌满时间。

要灌满总量“1”,需要的时间就是:\(1 \div \frac{1}{180} = 180\)(分钟)。

最终答案:同时打开,需要 \(180\) 分钟灌满空水池。

【进阶例题】一个游泳池,有一根进水管。单独开进水管,\(3\)小时可以注满。池底有一根排水管,单独开排水管,\(6\)小时可以排光满池的水。如果游泳池本来是半池水,现在同时打开进水管和排水管,请问多少小时后池子会变满?

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阿星敲黑板: 陷阱就在“半池水”!我们之前算的都是从“空”到“满”,或者从“满”到“空”,工作总量是“1”。但现在起点是半池(即 \(\frac{1}{2}\)),我们的目标是把剩下的半池水(工作量 \(\frac{1}{2}\))灌满。

避坑演示:

第1步:确定“剩余工作量”。 目标是从半池到满池,需要增加的水量是:\(1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2}\)。

第2步:计算工作效率。

进水管效率:\(\frac{1}{3}\) (每小时注满全池的几分之几)

排水管效率:\(\frac{1}{6}\) (每小时排掉全池的几分之几)

净效率:\(\frac{1}{3} - \frac{1}{6} = \frac{2}{6} - \frac{1}{6} = \frac{1}{6}\)。

这意味着,两管同开,每小时净增加全池水量的 \(\frac{1}{6}\)

第3步:计算完成“剩余工作量”的时间。

需要的时间 = 剩余工作量 ÷ 净效率 = \(\frac{1}{2} \div \frac{1}{6}\)。

除以一个分数等于乘以它的倒数:\(\frac{1}{2} \times 6 = 3\)(小时)。

最终答案:\(3\) 小时后池子会变满。

看,如果不注意“半池”这个起点,直接用总量“1”去算,就会得到 \(1 \div \frac{1}{6} = 6\)小时的错误答案。一定要看清起点和终点!

【拔高例题】一个水库,在雨季有一定的河水流入。如果打开\(5\)台抽水机,连续抽\(20\)天可以把水库抽干;如果打开\(6\)台同样的抽水机,连续抽\(15\)天可以抽干。请问:在河水流入速度不变的情况下,为了保证水库的水位永远不上升(即刚好平衡),至少需要常开多少台抽水机?

🚀

思维迁移: 这道题换了个“马甲”,从水管变成了抽水机,但内核完全一样!

第1步:识别“牛”和“草”。

- “草”就是水库里的水。它有两部分:原有的存水(草地原有草量)和每天流入的河水(草地每天新长的草)。

- “牛”就是抽水机,每台抽水机每天抽走一份水(吃一份草)。

第2步:设未知数,抓住核心等式。

设:每台抽水机每天抽水量为 \(1\) 份。河水每天流入 \(x\) 份。水库原有存水为 \(y\) 份。

核心等式:总被抽走的水 = 原有存水 + 这段时间流入的水

根据第一种情况(5台抽20天):\(5 \times 20 = y + 20x\) → \(100 = y + 20x\) … (1式)

根据第二种情况(6台抽15天):\(6 \times 15 = y + 15x\) → \(90 = y + 15x\) … (2式)

第3步:解方程,找到“草”的生长速度。

用(1式) 减去 (2式):\((100 - 90) = (y+20x) - (y+15x)\)

得到:\(10 = 5x\),所以 \(x = 2\)。

这意味着,河水每天流入 \(2\) 份水(草地每天长2份草)。

代入(2式): \(90 = y + 15 \times 2\) → \(90 = y + 30\) → \(y = 60\)。

水库原有存水 \(60\) 份。

第4步:计算“维持平衡”的临界点。

要想水位永远不上升,就需要抽水机每天抽走的水量,刚好等于每天流入的水量

每天流入 \(x = 2\) 份。

所以,需要常开 \(2 \div 1 = 2\) 台抽水机。

最终答案:至少需要常开 \(2\) 台抽水机。

看,虽然场景变成了水库和抽水机,但只要抓住“原有量+新增量=消耗量”这个核心,问题就迎刃而解!

📝 阿星必背口诀:

水管抽水牛吃草,本质都是一套宝。
总量先设为单位“1”,效率倒数要记牢。
同开先算净增减,水量起点仔细瞧。
复杂就设份数解,核心等式不能跑!

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🚀 举一反三:变式挑战

变式一:模仿练习

一个水箱,单开进水管\(4\)小时灌满,单开排水管\(12\)小时排空。如果两管同时打开,灌满这个空水箱需要几小时?

变式二:逆向思维

某水池,同时打开进水管和排水管,\(30\)小时能灌满。已知单开进水管\(20\)小时可灌满。那么单开排水管排空满池水需要多少小时?

变式三:综合挑战

一片牧场,草每天都在匀速生长。如果放牧\(27\)头牛,\(6\)天能把草吃光;如果放牧\(23\)头牛,\(9\)天能把草吃光。问:放牧多少头牛,可以保证这片牧场的草永远吃不完(即草量动态平衡)?


解析与答案

【详尽解析】

变式一解析:
净效率 = \(\frac{1}{4} - \frac{1}{12} = \frac{3}{12} - \frac{1}{12} = \frac{2}{12} = \frac{1}{6}\)。
时间 = \(1 \div \frac{1}{6} = 6\)(小时)。
答案:\(6\)小时。

变式二解析(逆向思维):
设单开排水管需要 \(x\) 小时排空。
两管同开的净效率为 \(\frac{1}{20} - \frac{1}{x}\)。
根据题意,这个净效率在\(30\)小时内完成工作量“1”,即净效率为 \(\frac{1}{30}\)。
所以有方程:\(\frac{1}{20} - \frac{1}{x} = \frac{1}{30}\)。
解方程:\(\frac{1}{20} - \frac{1}{30} = \frac{1}{x}\) → \(\frac{3}{60} - \frac{2}{60} = \frac{1}{x}\) → \(\frac{1}{60} = \frac{1}{x}\)。
所以 \(x = 60\)。
答案:单开排水管需要 \(60\) 小时。

变式三解析(综合挑战):
这就是经典的“牛吃草”问题原型,和我们的“抽水机问题”100%同理。
核心提示:设每头牛每天吃1份草,草每天生长\(x\)份,牧场原有草量\(y\)份。
列方程:
\(27 \times 6 = y + 6x\) → \(162 = y + 6x\) …①
\(23 \times 9 = y + 9x\) → \(207 = y + 9x\) …②
② - ①得:\(45 = 3x\) → \(x = 15\) (每天长15份草)
代入①:\(162 = y + 90\) → \(y = 72\) (原有72份草)
要永远吃不完,就是让牛每天吃的总量 ≤ 每天新长的草量。问“可以保证”,即求平衡点:牛的数量 = \(x = 15\)。
答案:放牧 \(15\) 头牛。

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