MathematikKlasse 6–9

Prisma und Zylinder: Oberfläche und Volumen

Schicht auf Schicht wächst ein Prisma in die Höhe, und der Mantel eines Zylinders rollt sich zum Rechteck aus.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Ein (gerades) Prisma hat zwei deckungsgleiche, parallele Flächen: die Grundfläche und die Deckfläche. Die Seitenflächen sind Rechtecke. Beim Zylinder ist die Grundfläche ein Kreis. Die Seitenflächen zusammen heißen Mantel.

Volumen. Man denkt sich den Körper in Schichten von 1 cm1\,\text{cm} Dicke zerlegt. Jede Schicht hat das Volumen G⋅1 cmG \cdot 1\,\text{cm}. Ist der Körper h=4 cmh = 4\,\text{cm} hoch, gibt es 4 solche Schichten, bei h=4,5 cmh = 4{,}5\,\text{cm} viereinhalb. Also

V=G⋅hZylinder: V=πr2⋅hV = G \cdot h \qquad \text{Zylinder: } V = \pi r^2 \cdot h

Oberfläche. Rollt man den Körper einmal über den Boden, hinterlässt jede Seitenfläche ihren Abdruck. Zusammen ergeben die Abdrücke ein Rechteck: Seine Länge ist der Umfang uu der Grundfläche, seine Breite die Höhe hh. Mit Grund- und Deckfläche entsteht das Netz:

M=u⋅h,O=2⋅G+MZylinder: O=2πr2+2πr⋅hM = u \cdot h, \qquad O = 2 \cdot G + M \qquad \text{Zylinder: } O = 2\pi r^2 + 2\pi r \cdot h

Der Zylinder als Grenzfall. Ein regelmäßiges nn-Eck mit Umkreisradius rr besteht aus nn gleichschenkligen Dreiecken. Je mehr Ecken es hat, desto mehr gleicht es dem Kreis: GG nähert sich πr2\pi r^2 und uu nähert sich 2πr2\pi r. Das Prisma wird dabei immer mehr zum Zylinder.

Ausprobieren

  1. Drücke Schichten stapeln und beobachte die Rechnung im Bild: Wie hängt das Volumen von der Anzahl der Schichten ab?
  2. Verdopple die Körperhöhe hh. Was passiert mit VV? Verdopple dann den Radius rr – warum wird das Volumen jetzt viermal so groß?
  3. Wähle Oberfläche: abrollen und drücke Abrollen. Die farbige Startfläche zeigt, wann eine volle Umdrehung erreicht ist. Sechseckprisma abrollen
  4. Erhöhe die Eckenzahl nn und schalte den Vergleichszylinder ein. Fast ein Zylinder
  5. Rolle einen Zylinder ab: Die Länge des Rechtecks ist der Kreisumfang. Zylindernetz

Aufgaben

Aufgabe 1: Dreiecksprisma

Die Grundfläche eines Prismas ist ein gleichschenkliges Dreieck mit der Grundseite g=4 cmg = 4\,\text{cm} und der Höhe hg=3 cmh_g = 3\,\text{cm}; die Schenkel sind etwa 3,6 cm3{,}6\,\text{cm} lang. Das Prisma ist h=5 cmh = 5\,\text{cm} hoch. Berechne Volumen und Oberfläche. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

G=12⋅4 cm⋅3 cm=6 cm2G = \tfrac{1}{2} \cdot 4\,\text{cm} \cdot 3\,\text{cm} = 6\,\text{cm}^2, also V=G⋅h=6 cm2⋅5 cm=30 cm3V = G \cdot h = 6\,\text{cm}^2 \cdot 5\,\text{cm} = 30\,\text{cm}^3.

u≈4 cm+2⋅3,6 cm≈11,2 cmu \approx 4\,\text{cm} + 2 \cdot 3{,}6\,\text{cm} \approx 11{,}2\,\text{cm}, M=u⋅h≈56 cm2M = u \cdot h \approx 56\,\text{cm}^2 und O=2⋅G+M≈12 cm2+56 cm2=68 cm2O = 2 \cdot G + M \approx 12\,\text{cm}^2 + 56\,\text{cm}^2 = 68\,\text{cm}^2.

Aufgabe 2: Zylinder

Ein Zylinder hat den Radius r=2 cmr = 2\,\text{cm} und die Höhe h=4 cmh = 4\,\text{cm}. Berechne Volumen und Oberfläche. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

V=π⋅(2 cm)2⋅4 cm=16π cm3≈50,27 cm3V = \pi \cdot (2\,\text{cm})^2 \cdot 4\,\text{cm} = 16\pi\,\text{cm}^3 \approx 50{,}27\,\text{cm}^3

O=2⋅π⋅(2 cm)2+2π⋅2 cm⋅4 cm=8π cm2+16π cm2=24π cm2≈75,40 cm2O = 2 \cdot \pi \cdot (2\,\text{cm})^2 + 2\pi \cdot 2\,\text{cm} \cdot 4\,\text{cm} = 8\pi\,\text{cm}^2 + 16\pi\,\text{cm}^2 = 24\pi\,\text{cm}^2 \approx 75{,}40\,\text{cm}^2

Aufgabe 3: Das Sechseck

Beim regelmäßigen Sechseck ist jede Seite genau so lang wie der Umkreisradius. Begründe das. Berechne damit den Mantel eines Sechseckprismas mit r=2 cmr = 2\,\text{cm} und h=4 cmh = 4\,\text{cm}. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Das Sechseck besteht aus sechs Dreiecken mit dem Winkel 360∘:6=60∘360^\circ : 6 = 60^\circ an der Spitze. Zwei Seiten jedes Dreiecks sind Umkreisradien. Das Dreieck ist also gleichschenklig, und seine Basiswinkel sind gleich groß: (180∘−60∘):2=60∘(180^\circ - 60^\circ) : 2 = 60^\circ. Es ist gleichseitig, die Sechseckseite ist so lang wie der Radius.

u=6⋅2 cm=12 cmu = 6 \cdot 2\,\text{cm} = 12\,\text{cm}, M=u⋅h=12 cm⋅4 cm=48 cm2M = u \cdot h = 12\,\text{cm} \cdot 4\,\text{cm} = 48\,\text{cm}^2. Abrollen zeigen

Aufgabe 4: Eine Getränkedose

Eine Dose hat den Durchmesser 7 cm7\,\text{cm} und die Höhe 11 cm11\,\text{cm}. Wie viel Papier braucht man (ohne Überlappung) für das Etikett, das den Mantel bedeckt? Passt ein halber Liter hinein?

Lösung anzeigen

M=2πr⋅h=π⋅7 cm⋅11 cm≈241,9 cm2M = 2\pi r \cdot h = \pi \cdot 7\,\text{cm} \cdot 11\,\text{cm} \approx 241{,}9\,\text{cm}^2.

V=π⋅(3,5 cm)2⋅11 cm≈423,3 cm3≈0,42 lV = \pi \cdot (3{,}5\,\text{cm})^2 \cdot 11\,\text{cm} \approx 423{,}3\,\text{cm}^3 \approx 0{,}42\,\text{l} – ein halber Liter (500 cm3500\,\text{cm}^3) passt nicht hinein.

Aufgabe 5: Wann ist das Prisma fast ein Zylinder?

Ein Prisma mit regelmäßigem nn-Eck und ein Zylinder haben denselben Radius und dieselbe Höhe. Ab welcher Eckenzahl hat das Prisma mehr als 99 %99\,\% des Zylindervolumens? Probiere mit der Simulation. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Bei n=6n = 6 sind es etwa 82,7 %82{,}7\,\%, bei n=12n = 12 etwa 95,5 %95{,}5\,\%. Ab n=26n = 26 Ecken sind es mehr als 99 %99\,\% (bei n=25n = 25 erst 98,95 %98{,}95\,\%). n = 26

Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Etwa Klasse 8/9 (Kreis und Zylinder): Prismen und Zylinder mit Netz, Oberfläche und Volumen. Sinnvoll im Anschluss an die Kreisberechnung (siehe Simulation zur Kreiszahl π).
  • Zwei Zugänge: „Schichten stapeln“ begründet V=G⋅hV = G \cdot h (anschlussfähig an das Würfelzählen beim Quader), „Abrollen“ begründet M=u⋅hM = u \cdot h. Die Rechnung im Bild lässt sich unter Anzeige → Rechnung im Bild ausschalten (in Links: calc=0).
  • Häufige Stolpersteine:
    • Mantel und Volumen werden verwechselt (u⋅hu \cdot h statt G⋅hG \cdot h) – auch bei den Einheiten cm2\text{cm}^2 und cm3\text{cm}^3.
    • Beim Zylinder wird mit dem Durchmesser statt mit dem Radius gerechnet.
    • Bei der Oberfläche wird nur eine Grundfläche gezählt.
    • Man erwartet, dass sich das Volumen beim doppelten Radius verdoppelt. Tatsächlich wird es viermal so groß.
  • Zur Darstellung: Beim Abrollen kippt das Prisma jeweils über eine Kante; der Zylinder rollt ohne zu rutschen, sodass sein Abdruck nach einer vollen Umdrehung genau 2πr2\pi r lang ist. Das Dreieck ist gleichschenklig; die Länge der Schenkel wird berechnet und gerundet angezeigt.