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水管进水出水问题一看就懂:从“小白”到大神的零跳步攻略:典型例题精讲

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最近更新

2025-12-20

水管进出水:从手忙脚乱到运筹帷幄的数学智慧

💡 阿星起步:水管进出水 的底层逻辑

想象一下,你家的后院有一个池塘。你想把它灌满水来养鱼,于是接上了一根进水管,“哗啦啦”地往里加水。但同时,池塘底部有一个旧漏洞,正在“嘶嘶”地往外漏水。

这时候你肯定会想:这池塘到底什么时候能灌满? 这就是“水管进出水”问题要解决的核心。

它的本质一点也不复杂:
1. 进水就像你赚钱(加钱),是正效率
2. 出水就像你花钱(减钱),是负效率
3. 池塘的总容量,就是你的存款目标

那么“多久能存够”呢?你肯定不会只算赚的,而会算 “净收入” = 赚钱 - 花钱。同样,灌池塘也要算 “净注水速度” = 进水速度 - 出水速度

所以,整个问题的核心,就是把生活中的“同时进行、方向相反”的事情,用“正数”和“负数”统一成一个“净效果”来计算。公式就是:
工作时间 = 工作总量 ÷ 净工作效率
也就是:
\[ \text{时间} = \frac{\text{池塘总容量}}{\text{进水速度} - \text{出水速度}} \]

看,是不是和“存钱时间 = 存款目标 ÷ (赚钱速度 - 花钱速度)”一模一样?我们学的不是水管,是这种“算净效果”的通用思维。

🔥 三级跳挑战:从入门到大神

【入门例题】一个水池可装水 \( 120 \) 立方米。单开进水管,\( 6 \) 小时能灌满;单开排水管,\( 10 \) 小时能排空。如果进水管和排水管同时打开,几小时能把水池灌满?

🌱

阿星拆解:

第1步:拆解“工作效率”。 别被“120立方米”吓到,我们把它看作总工作量“1”。

  • 进水管单开6小时灌满,那它每小时就完成 \( \frac{1}{6} \) 的工作量。所以,进水效率是 \( +\frac{1}{6} \)
  • 排水管单开10小时排空,那它每小时就完成 \( \frac{1}{10} \) 的工作量。但它是排水,是减少水量,所以排水效率是 \( -\frac{1}{10} \)

第2步:计算“净效率”。 两管同开,一加一减:
\[ \text{净效率} = (+\frac{1}{6}) + (-\frac{1}{10}) = \frac{1}{6} - \frac{1}{10} \]

第3步:通分计算。 6和10的最小公倍数是30。
\[ \frac{1}{6} = \frac{5}{30}, \quad \frac{1}{10} = \frac{3}{30} \]
\[ \text{净效率} = \frac{5}{30} - \frac{3}{30} = \frac{2}{30} = \frac{1}{15} \]
这意味着,两管同开,每小时净注入水池 \( \frac{1}{15} 的水量。 第4步:求时间。 工作总量是“1”(整个水池),所以: \[ \text{时间} = \frac{\text{总量}}{\text{净效率}} = 1 \div \frac{1}{15} = 15 \, (\text{小时}) \] ✅ 答案:同时打开,需要15小时灌满。

【进阶例题】一个水池有甲、乙两根进水管和一根丙排水管。单开甲管,5小时可注满;单开乙管,4小时可注满;单开丙管,3小时可排空一满池水。现在水池是空的,先打开甲管和丙管,2小时后,再打开乙管。问从开始算起,总共需要几小时水池被注满?
⚠️
阿星敲黑板:这里的陷阱是:工作过程分成了两个阶段,效率组合不一样!不能用一个公式从头算到尾。必须分阶段计算完成的工作量第1步:设定工作效率(总量为“1”)。 \[ \text{甲效率} = +\frac{1}{5}, \quad \text{乙效率} = +\frac{4}{5}, \quad \text{丙效率} = -\frac{1}{3} \] 第2步:计算第一阶段(前2小时)的净效率和完成量。 前2小时:甲(进)+ 丙(排)开,乙关。 \[ \text{前2小时净效率} = \frac{1}{5} - \frac{1}{3} = \frac{3}{15} - \frac{5}{15} = -\frac{2}{15} \] ❗注意!净效率是负数,这意味着前2小时不仅没灌水,反而排走了水(水池更空了)。 \[ \text{前2小时完成工作量} = (-\frac{2}{15}) \times 2 = -\frac{4}{15} \] 第3步:计算第二阶段需要完成的工作量。 我们的目标是总工作量达到“1”(满池)。第一阶段完成后,工作量是 \( -\frac{4}{15} \)(理解为欠了 \( \frac{4}{15} \) 池水)。
所以,第二阶段需要完成:
\[ 1 - (-\frac{4}{15}) = 1 + \frac{4}{15} = \frac{19}{15} \]
第二阶段需要把水池从欠 \( \frac{4}{15} \) 的状态,灌到满(+1),所以总工作量是 \( \frac{19}{15} \)。

第4步:计算第二阶段的净效率和所需时间。
第二阶段:甲、乙、丙三管全开。
\[ \text{净效率} = \frac{1}{5} + \frac{1}{4} - \frac{1}{3} = \frac{12}{60} + \frac{15}{60} - \frac{20}{60} = \frac{7}{60} \]
\[ \text{第二阶段所需时间} = \frac{\frac{19}{15}}{\frac{7}{60}} = \frac{19}{15} \times \frac{60}{7} = \frac{19 \times 4}{7} = \frac{76}{7} \, (\text{小时}) \]

第5步:计算总时间。
\[ \text{总时间} = 2 + \frac{76}{7} = \frac{14}{7} + \frac{76}{7} = \frac{90}{7} \, (\text{小时}) \]

答案:总共需要 \( \frac{90}{7} \) 小时(或约12.86小时)。

【拔高例题】搬运一个仓库的货物,甲队单独搬需要10小时,乙队单独搬需要15小时,丙队单独搬需要20小时。现有两个完全相同的仓库A和B。甲队在A库搬,乙队在B库搬,丙队先帮甲队,一段时间后又去帮乙队,最后两个仓库的货物同时搬完。问丙队帮甲队搬了多少小时?

🚀

思维迁移:看,场景从“水管”变成了“搬仓库”,但核心模型一点没变

  • 搬运就是进水(正效率)。
  • 没有“排水”,但有两个独立的“水池”(A库和B库)。
  • 关键:丙队这个“水管”在两个池子间切换,但总工作时间是确定的。最终两个水池“同时满”(同时搬完)。

第1步:设定工作效率(一个仓库的货物总量为“1”)。
\[ \text{甲效率} = \frac{1}{10}, \quad \text{乙效率} = \frac{1}{15}, \quad \text{丙效率} = \frac{1}{20} \]

第2步:抓住核心等量关系。
设丙队帮甲队的时间为 \( x \) 小时。因为“最后同时搬完”,所以从开始到结束的总时间,设为 \( t \) 小时。
那么,丙队帮乙队的时间就是 \( t - x \) 小时。

第3步:分别列两个“水池”的方程。
对于A仓库:甲一直搬了 \( t \) 小时,丙帮了 \( x \) 小时。
\[ \text{A库完成工作量} = \frac{1}{10} \times t + \frac{1}{20} \times x = 1 \quad \text{(方程1)} \]
对于B仓库:乙一直搬了 \( t \) 小时,丙帮了 \( (t-x) \) 小时。
\[ \text{B库完成工作量} = \frac{1}{15} \times t + \frac{1}{20} \times (t - x) = 1 \quad \text{(方程2)} \]

第4步:联立解方程。
由方程1:\( \frac{t}{10} + \frac{x}{20} = 1 \) => 两边乘20:\( 2t + x = 20 \) => \( x = 20 - 2t \) … (式A)
由方程2:\( \frac{t}{15} + \frac{t-x}{20} = 1 \) => 两边乘60:\( 4t + 3(t-x) = 60 \) => \( 4t + 3t - 3x = 60 \) => \( 7t - 3x = 60 \) … (式B)
将(式A)代入(式B):
\[ 7t - 3(20 - 2t) = 60 \]
\[ 7t - 60 + 6t = 60 \]
\[ 13t = 120 \]
\[ t = \frac{120}{13} \]
代入(式A):
\[ x = 20 - 2 \times \frac{120}{13} = 20 - \frac{240}{13} = \frac{260}{13} - \frac{240}{13} = \frac{20}{13} \]

答案:丙队帮甲队搬了 \( \frac{20}{13} \) 小时。

📝 阿星必背口诀:
水管问题别发懵,正负效率要分清。
同工异号,净效相消;总量除以它,时间跑不了。
遇到分段和帮工,画清阶段列方程,核心逻辑永不变!

🚀 举一反三:变式挑战

变式一:模仿练习

一个游泳池,单开进水管8小时放满,单开出水管12小时放空。如果先打开进水管3小时,然后再把出水管也打开,问还需要多少小时才能将游泳池放满?

变式二:逆向思维

一个水池,同时打开进水管和出水管,15小时可将空池注满。如果单开进水管,6小时可注满。请问单开出水管,几小时可以将满池水排空?

变式三:综合挑战

某水厂有两个蓄水池A和B,由相同的进水管和排水管控制。A池现有水 \( \frac{1}{3} \),B池是空的。现在同时打开A池的进水管和B池的进水管,并打开A池的排水管。已知单开进水管注满一池需9小时,单开排水管排空一池需6小时。问几小时后,两个水池的水量恰好相等?


解析与答案

【详尽解析】

变式一解析: 这是分段问题。第一阶段(前3小时)只有进水,完成工作量 \( \frac{1}{8} \times 3 = \frac{3}{8} \)。剩余工作量 \( 1 - \frac{3}{8} = \frac{5}{8} \)。第二阶段两管同开,净效率 \( \frac{1}{8} - \frac{1}{12} = \frac{1}{24} \)。所需时间 \( \frac{5}{8} \div \frac{1}{24} = 15 \) 小时。
答案:还需要15小时。

变式二解析: 设单开出水管排空需 \( x \) 小时,则其效率为 \( -\frac{1}{x} \)。已知两管同开效率为 \( \frac{1}{15} \),进水管效率为 \( \frac{1}{6} \)。列方程:\( \frac{1}{6} + (-\frac{1}{x}) = \frac{1}{15} \)。解得 \( \frac{1}{6} - \frac{1}{x} = \frac{1}{15} \) => \( \frac{1}{x} = \frac{1}{6} - \frac{1}{15} = \frac{1}{10} \) => \( x = 10 \)。
答案:单开出水管10小时排空。

变式三解析: 设 \( t \) 小时后两池水量相等。A池初始水量 \( \frac{1}{3} \),同时开进、排水管,净效率 \( \frac{1}{9} - \frac{1}{6} = -\frac{1}{18} \),因此A池水量为 \( \frac{1}{3} - \frac{t}{18} \)。B池初始为0,只开进水管,水量为 \( \frac{t}{9} \)。令两者相等:\( \frac{1}{3} - \frac{t}{18} = \frac{t}{9} \)。解得 \( \frac{1}{3} = \frac{t}{18} + \frac{2t}{18} = \frac{3t}{18} = \frac{t}{6} \) => \( t = 2 \)。
答案:2小时后两池水量相等。

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