Geometry · real student question

一座長方形公園長 30 公尺、寬 20 公尺。四個角各設一個半徑 7 公尺的四分之一圓花圃,剩下的區域外圍闢成跑道。這條跑道有多長?

Question

一座長方形城市公園的尺寸為 30 m×20 m30\ \text{m}\times 20\ \text{m}。四個角各闢一個半徑 7 m7\ \text{m} 的四分之一圓形花圃,剩下的區域圍成跑道。

這條跑道有多長 —— 也就是剩下區域的周長是多少?

Step-by-step solution

  1. 先想清楚邊界到底由什麼組成。 在角落挖掉一個四分之一圓,等於把角本身刪掉了。剩下部分的邊界不再是四條直邊:它是四條被縮短的直邊加上四段圓弧。所以答案既不是長方形的周長,也不是周長減去花圃的完整輪廓。

  2. 把每條直邊縮短。 每個角都吃掉一個方向上 7 m7\ \text{m}、另一個方向上 7 m7\ \text{m}。每條邊在兩個端點各損失 7 m7\ \text{m},所以

    long sides: 2(3027)=2(16)=32 m,short sides: 2(2027)=2(6)=12 m,\text{long sides: }2(30-2\cdot 7)=2(16)=32\ \text{m},\qquad\text{short sides: }2(20-2\cdot 7)=2(6)=12\ \text{m},

    直線段共 32+12=44 m32+12=44\ \text{m}。(301430-14201420-14 都是正的,所以四個花圃不會重疊 —— 往下算之前值得先確認。)

  3. 加上四段弧。 每段弧是半徑 77 的圓的四分之一,四個四分之一恰好拼成一整個圓:

    414(2πr)=2π(7)=14π m43.98 m.4\cdot\frac{1}{4}\left(2\pi r\right)=2\pi(7)=14\pi\ \text{m}\approx 43.98\ \text{m}.

  4. 把周長加總。

    P=44+14π44+43.98=87.98 m.P=44+14\pi\approx 44+43.98=87.98\ \text{m}.

    因為半徑是 77,用課本常見的近似 π227\pi\approx\tfrac{22}{7} 會讓弧長恰好是 22277=44 m2\cdot\tfrac{22}{7}\cdot 7=44\ \text{m}、總長恰好 88 m88\ \text{m} —— 這就是出題者想要的答案 88 m88\ \text{m}

  5. 拿原本的長方形來對照檢查。 原周長是 2(30+20)=100 m2(30+20)=100\ \text{m}。每個角把 14 m14\ \text{m} 的直邊換成一段長 7π211 m\tfrac{7\pi}{2}\approx 11\ \text{m} 的弧,少了約 3 m3\ \text{m};四個角共少約 12 m12\ \text{m},而 10012=88 m100-12=88\ \text{m}。把角修圓會讓一圈變短,本來就該如此。

Answer

P=44+14π87.98 m  (=88 m,取 π227)P=44+14\pi\approx 87.98\ \text{m}\ \ (=88\ \text{m,取 }\pi\approx\tfrac{22}{7})

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