Worum geht es?
Dreht sich die Fläche zwischen dem Graphen einer Funktion und der -Achse im Intervall einmal ganz um die -Achse, so entsteht ein Rotationskörper. Aus einem Rechteck wird ein Zylinder, aus einem Dreieck ein Kegel, aus einem Halbkreis eine Kugel.
Querschnitt an der Stelle x
Schneidet man den Körper senkrecht zur Achse an der Stelle auf, sieht man einen Kreis mit dem Radius . Sein Flächeninhalt ist
Scheibenmethode
Zerlegt man in gleich breite Streifen der Breite , wird jeder Streifen beim Drehen zu einer dünnen Zylinderscheibe mit dem Radius und dem Volumen . Die Summe
ist eine Näherung für das Volumen. Nimmt man als Radius den kleinsten Wert von im Streifen (innere Scheiben), liegt die Summe unter dem Volumen, mit dem größten Wert von (äußere Scheiben) darüber – wie bei Unter- und Obersumme. Für streben beide gegen denselben Grenzwert, das Integral:
Kontrolle mit bekannten Körperformeln
- auf : (Zylinder).
- auf : (Kegel).
- auf : (Kugel).
- auf : – genau die Hälfte des umschließenden Zylinders .
Für den Sinusbogen oder das „Horn“ zu gibt es keine Formel aus der Mittelstufe – hier hilft nur das Integral.
Ausprobieren
- Wähle „Rotieren lassen“ und beobachte, wie die grüne Fläche den Körper überstreicht. Stelle den Drehwinkel auf und auf : Welche Teile der Kugel siehst du? Viertel gedreht
- Verschiebe den orangen Querschnitt an der Stelle . Wo ist am größten, wo ist ? Kugel mit Querschnitt
- Zerlege den Kegel in 4 Scheiben und vergleiche „kleinster Radius (innen)“ mit „größter Radius (außen)“. Verdopple mehrmals. Kegel in 4 Scheiben
- Ziehe die Scheiben des Paraboloids auseinander und wieder zusammen. Warum stimmt hier schon die Mittelpunktsumme mit 8 Scheiben exakt? Paraboloid
- Ziehe am grünen Griff in der Seitenansicht, bis doppelt so groß ist (): Dann ist auch verdoppelt. Wie ändert sich das Volumen? Kegel
- Gabriels Horn: Schiebe immer weiter nach rechts. Wächst das Volumen über alle Grenzen? Horn
Aufgaben
Aufgabe 1: Kegel
Die Gerade dreht sich auf um die -Achse. Berechne das Volumen mit dem Integral und kontrolliere mit der Kegelformel. Aufgabe laden
Aufgabe 2: Kugelvolumen
Leite mit das Volumen einer Kugel mit her. Aufgabe laden
Aufgabe 3: Innere und äußere Scheiben
Ersetze den Kegel zu auf durch 4 innere bzw. 4 äußere Zylinderscheiben. Berechne beide Summen und das exakte Volumen. Aufgabe laden
Lösung anzeigen
. Innen: . Außen: . Exakt: – es liegt zwischen beiden Summen.
Aufgabe 4: Spindel
Der Sinusbogen auf dreht sich um die -Achse. Berechne das Volumen. Tipp: . Aufgabe laden
Aufgabe 5: Kugelabschnitt
Eine Kugel mit wird bei abgeschnitten. Berechne das Volumen des kleineren Teils mit dem Integral und mit der Formel . Aufgabe laden
Aufgabe 6: Gabriels Horn
Berechne das Volumen für auf und untersuche . Aufgabe laden
Lösung anzeigen
, für also . Für gilt : Der unendlich lange Körper hat ein endliches Volumen.
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Oberstufe, Integralrechnung (Anwendungen des Integrals); Rotationskörper sind je nach Lehrplan Vertiefung bzw. Ausblick. Geeignet als Einstieg (Drehen der Fläche), zur Herleitung der Formel über die Scheibensumme und zur Kontrolle bekannter Körperformeln aus der Mittelstufe.
- Modell: Die Scheiben sind Zylinder der Dicke ; als Radius dienen wahlweise der Funktionswert in der Streifenmitte, der kleinste oder der größte Wert im Streifen. Die Seitenansicht zeigt den Graphen mit den zugehörigen Rechtecken und ihr Spiegelbild (Längsschnitt). Grenzen außerhalb des Definitionsbereichs werden angepasst (z. B. höchstens beim Sinus).
- Häufige Stolpersteine:
- „“ – der Radius wird quadriert, weil der Querschnitt die Kreisfläche ist; ein Faktor 2 beim Doppeln von wird zum Faktor 4 beim Volumen.
- „“ – quadriert wird der Integrand, nicht das Integral.
- „Liegt der Graph unter der -Achse, wird das Volumen negativ.“ – , das Volumen ist immer positiv.
- Gabriels Horn: Das Volumen ist endlich (), die Oberfläche aber unendlich groß – ein schöner Anlass, über Grenzwerte zu sprechen.