MathematikKlasse 7–10

Pyramide, Kegel und Kugel

Dreimal umschütten, dann ist das Prisma voll: Eine Pyramide fasst genau ein Drittel. Kegel und Kugel lassen sich in 3D drehen und vermessen.

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Worum geht es?

Pyramide, Kegel und Kugel sind Körper, bei denen man Volumen und Oberfläche nicht einfach „Länge mal Breite mal Höhe“ rechnen kann. Die Simulation zeigt, woher die Formeln kommen: Du kannst den Körper drehen, Wasser umschütten und das Netz abwickeln.

Bausteine

  • Höhe hh: Abstand der Spitze von der Grundfläche (senkrecht).
  • Seitenhöhe hah_a (Pyramide): Höhe einer Seitenfläche, vom Grundkantenmittelpunkt zur Spitze.
  • Mantellinie ss (Kegel) bzw. Seitenkante ss (Pyramide): Strecke von der Spitze zum Rand der Grundfläche.
  • Radius rr: bei Kegel und Kugel der Abstand zum Mittelpunkt.

Diese Strecken hängen über rechtwinklige Dreiecke zusammen (Satz des Pythagoras). Bei der quadratischen Pyramide mit der Diagonale d=a2d = a\sqrt{2} der Grundfläche gilt

ha2=h2+(a2)2,s2=h2+(d2)2=ha2+(a2)2.h_a^2 = h^2 + \left(\tfrac{a}{2}\right)^2, \qquad s^2 = h^2 + \left(\tfrac{d}{2}\right)^2 = h_a^2 + \left(\tfrac{a}{2}\right)^2 .

Beim Kegel gilt für die Mantellinie s2=h2+r2s^2 = h^2 + r^2. Achtung: Die Seitenhöhe hah_a und die Seitenkante ss sind verschiedene Strecken. hah_a trifft die Grundkante in der Mitte und senkrecht, ss endet in einer Ecke.

Pyramide

Mit Grundfläche GG und Höhe hh gilt

V=13⋅G⋅h,M=Summe der Seitenfla¨chen,O=G+M.V = \tfrac{1}{3} \cdot G \cdot h, \qquad M = \text{Summe der Seitenflächen}, \qquad O = G + M .

Bei der quadratischen Pyramide ist G=a2G = a^2 und M=4⋅12⋅a⋅haM = 4 \cdot \tfrac{1}{2} \cdot a \cdot h_a. Das Wasser aus drei Pyramiden füllt genau das Prisma mit gleicher Grundfläche und Höhe.

Kegel

V=13πr2h,M=πrs,O=πr2+πrs.V = \tfrac{1}{3}\pi r^2 h, \qquad M = \pi r s, \qquad O = \pi r^2 + \pi r s .

Der Mantel lässt sich als Kreissektor mit Radius ss und Bogenlänge 2πr2\pi r abwickeln. Sein Winkel ist α=360∘⋅rs\alpha = 360^\circ \cdot \tfrac{r}{s}.

Kugel

V=43πr3,O=4πr2.V = \tfrac{4}{3}\pi r^3, \qquad O = 4\pi r^2 .
  • Archimedes: Zylinder (Höhe rr, Radius rr) = Kegel + Halbkugel. Der Kegel hat 13πr3\tfrac{1}{3}\pi r^3, der Zylinder πr3\pi r^3, also bleibt für die Halbkugel 23πr3\tfrac{2}{3}\pi r^3 und für die ganze Kugel 43πr3\tfrac{4}{3}\pi r^3.
  • Aus Pyramiden: Zerlegt man die Kugel in viele Pyramiden mit Höhe rr, ist V=13⋅O⋅rV = \tfrac{1}{3} \cdot O \cdot r. Daraus folgt O=3V:r=4πr2O = 3V : r = 4\pi r^2.

Ausprobieren

  1. Wähle die quadratische Pyramide und schalte zwischen den Hilfsdreiecken um. Welche Strecke ist immer die längste? Pyramide laden
  2. Schütte die Pyramide dreimal um. Wie viel vom Prisma füllt eine Pyramide? Umschütten
  3. Probiere dasselbe mit dem Kegel. Was ändert sich, wenn du rr oder hh änderst? Kegel umschütten
  4. Wickle den Kegelmantel ab. Verändere hh und beobachte den Winkel α\alpha. Kegelmantel
  5. Schütte nach Archimedes: Kegel, dann Halbkugel. Archimedes
  6. Zerlege die Kugel in Pyramiden und dreh sie. Kugel aus Pyramiden

Aufgaben

Aufgabe 1: Quadratische Pyramide

Eine quadratische Pyramide hat die Grundkante a=4 cma = 4\,\text{cm} und die Höhe h=5 cmh = 5\,\text{cm}. Berechne Seitenhöhe, Volumen, Mantelfläche und Oberfläche. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

ha=52+22 cm=29 cm≈5,39 cmh_a = \sqrt{5^2 + 2^2}\,\text{cm} = \sqrt{29}\,\text{cm} \approx 5{,}39\,\text{cm}

V=13⋅16 cm2⋅5 cm≈26,67 cm3V = \tfrac{1}{3} \cdot 16\,\text{cm}^2 \cdot 5\,\text{cm} \approx 26{,}67\,\text{cm}^3

M=4⋅12⋅4 cm⋅29 cm=829 cm2≈43,08 cm2M = 4 \cdot \tfrac{1}{2} \cdot 4\,\text{cm} \cdot \sqrt{29}\,\text{cm} = 8\sqrt{29}\,\text{cm}^2 \approx 43{,}08\,\text{cm}^2

O=16 cm2+43,08 cm2≈59,08 cm2O = 16\,\text{cm}^2 + 43{,}08\,\text{cm}^2 \approx 59{,}08\,\text{cm}^2

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Aufgabe 2: Kegel

Ein Kegel hat den Radius r=3 cmr = 3\,\text{cm} und die Höhe h=4 cmh = 4\,\text{cm}. Bestimme ss, VV, MM und OO. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

s=42+32 cm=5 cms = \sqrt{4^2 + 3^2}\,\text{cm} = 5\,\text{cm}

V=13π⋅9 cm2⋅4 cm=12π cm3≈37,70 cm3V = \tfrac{1}{3}\pi \cdot 9\,\text{cm}^2 \cdot 4\,\text{cm} = 12\pi\,\text{cm}^3 \approx 37{,}70\,\text{cm}^3

M=π⋅3 cm⋅5 cm=15π cm2≈47,12 cm2M = \pi \cdot 3\,\text{cm} \cdot 5\,\text{cm} = 15\pi\,\text{cm}^2 \approx 47{,}12\,\text{cm}^2

O=9π cm2+15π cm2=24π cm2≈75,40 cm2O = 9\pi\,\text{cm}^2 + 15\pi\,\text{cm}^2 = 24\pi\,\text{cm}^2 \approx 75{,}40\,\text{cm}^2

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Aufgabe 3: Kugel

Eine Kugel hat den Radius r=2,5 cmr = 2{,}5\,\text{cm}. Berechne Volumen und Oberfläche. Wie viel Prozent des umgebenden Zylinders (Höhe 2r2r) füllt die Kugel? Aufgabe laden

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V=43π⋅(2,5 cm)3≈65,45 cm3V = \tfrac{4}{3}\pi \cdot (2{,}5\,\text{cm})^3 \approx 65{,}45\,\text{cm}^3

O=4π⋅(2,5 cm)2=25π cm2≈78,54 cm2O = 4\pi \cdot (2{,}5\,\text{cm})^2 = 25\pi\,\text{cm}^2 \approx 78{,}54\,\text{cm}^2

Der Zylinder hat V=2πr3≈98,17 cm3V = 2\pi r^3 \approx 98{,}17\,\text{cm}^3. Die Kugel füllt 23≈66,7 %\tfrac{2}{3} \approx 66{,}7\,\% davon.

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Ideen für den Unterricht

  • Einsatz: Etwa Klasse 9/10, Körperberechnung. Geeignet als Einstieg (Umschüttversuch), zur Übung (Pythagoras im Körper) und zur Vertiefung (Archimedes).
  • Modell: Die Pyramide hat ein regelmäßiges nn-Eck als Grundfläche, die Spitze liegt senkrecht über dem Mittelpunkt. Beim Umschütten wird das Wasser exakt nach dem Volumen berechnet, gezeichnet ist es nur angenähert.
  • Typische Fehler:
    • Der Faktor 13\tfrac{1}{3} wird vergessen – richtig: Pyramide und Kegel füllen nur ein Drittel.
    • rr und dd werden verwechselt – in den Formeln steht der Radius.
    • Höhe hh und Seitenhöhe hah_a bzw. Mantellinie ss werden verwechselt – ss ist immer länger als hh.