Worum geht es?
Vergrößert man eine Figur mit dem Streckfaktor , entsteht eine ähnliche Figur: Alle Winkel bleiben gleich, alle Längen werden -mal so lang. Wie verändern sich dabei Flächeninhalte und Volumina?
Die Simulation legt das Bild Kopie für Kopie mit dem Original aus:
- Eine Strecke der Länge besteht aus Kopien der Strecke .
- Ein Quadrat mit doppelter Seitenlänge besteht aus Kopien, bei dreifacher Seitenlänge aus Kopien. Beim Dreieck geht es genauso – einige Kopien liegen dabei auf dem Kopf.
- Ein Würfel mit doppelter Kantenlänge besteht aus Kopien, Schicht für Schicht.
Allgemein gilt für ähnliche Figuren und Körper mit dem Streckfaktor :
Das gilt für jede Fläche, also auch für die Oberfläche eines Körpers: Sie wächst ebenfalls mit . Ist keine ganze Zahl, liegen am Rand Bruchstücke. Bei besteht das Quadrat aus Kopien. Einen Kreis kann man nicht aus kleinen Kreisen legen, wohl aber aus Sektoren, die jeweils so groß sind wie der kleine Kreis.
Verkleinern (): Jetzt passt das Bild mehrmals in das Original. Bei ist die Fläche nur noch , das Volumen nur noch so groß. Es gilt dann .
Rückwärts: Ist bekannt, um welchen Faktor das Volumen gewachsen ist, zieht man die Kubikwurzel, beim Flächeninhalt die Quadratwurzel: und .
Ausprobieren
- k = 2: Drücke „Kopien auslegen“ und zähle mit: erst die Strecke, dann die Fläche, dann die Würfel Schicht für Schicht. Drehe den Würfel mit der Maus oder dem Finger.
- Ziehe am Griff der Strecke, an der Ecke des Quadrats oder am Würfel. Beobachte im Diagramm „Wie schnell wächst was?“, wie davonläuft.
- Dreieck mit k = 3: Wie viele Kopien stehen auf dem Kopf? Und wie viele Würfel braucht man jetzt?
- k = 1,5 mit Quader: Welche Bruchstücke entstehen am Rand? Warum sind es zusammen genau bzw. Kopien?
- k = 0,5: Jetzt wird das Original mit Bildern ausgelegt. Wie viele passen hinein? Und beim Kreis mit k = 2?
- Rückwärts: Das Volumen ist 27-mal so groß. Drücke „k suchen“. Ändere dann auf Flächenfaktor 2.
- Anwendungen: Pizza, Modellauto, Oberfläche und Volumen – drücke jeweils den Knopf unter der Zeichenfläche.
Aufgaben
Aufgabe 1: Dreimal so groß
Ein Würfel mit der Kantenlänge wird mit vergrößert. Berechne Kantenlänge, Oberfläche und Volumen des Bildes. Aufgabe laden
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Kante . Oberfläche . Volumen – es passen also 27 Originalwürfel hinein. Lösung zeigen
Aufgabe 2: Halbe Kante
Ein Würfel mit Kantenlänge wird mit verkleinert. Welcher Bruchteil von Oberfläche und Volumen bleibt? Gib beide Werte an. Aufgabe laden
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Oberfläche: , also . Volumen: , also . Acht kleine Würfel füllen den Originalwürfel. Lösung zeigen
Aufgabe 3: Quader mit Bruchstücken
Ein Quader mit den Maßen wird mit vergrößert. Bestimme die neuen Maße, das Volumen und die Oberfläche. Aufgabe laden
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Maße . Volumen ; zur Kontrolle: . Oberfläche vorher , nachher . Lösung zeigen
Aufgabe 4: Rückwärts denken
a) Ein Würfel hat nach dem Vergrößern das 27-fache Volumen. Mit welchem Faktor wurde er gestreckt, und wie hat sich seine Oberfläche verändert? Aufgabe laden
b) Eine Figur soll den doppelten Flächeninhalt bekommen. Mit welchem muss man strecken? Aufgabe laden
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a) ; die Oberfläche wird -mal so groß. Zeigen
b) – also nicht , das ergäbe die vierfache Fläche. Zeigen
Aufgabe 5: Welche Pizza lohnt sich?
Eine Pizza mit Durchmesser kostet €, eine mit kostet €. Welche ist im Verhältnis zur Fläche günstiger? Aufgabe laden
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, die Fläche ist -mal so groß ( statt ). Für kleine Pizzen würde man bezahlen – die große Pizza für ist günstiger (etwa ct statt ct pro ). Lösung zeigen
Aufgabe 6: Kleine Würfel kühlen schneller aus
Berechne für Würfel mit , und jeweils das Verhältnis . Was passiert mit der Oberfläche, wenn man den Würfel mit in Würfel mit Kante zerteilt? Aufgabe laden
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, also , und . Zerteilt man den Würfel mit in kleine Würfel, bleibt das Volumen , die Oberfläche wächst von auf (dreifach). Kleine Körper haben im Verhältnis viel Oberfläche – deshalb kühlen kleine Tiere schneller aus. Lösung zeigen
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Etwa Klasse 9, Ähnlichkeit und zentrische Streckung. Die Animation „Kopien auslegen“ eignet sich als Einstieg, bevor die Regel , , formuliert wird – etwa mit einer Schätzung vorab: „Wie viele kleine Würfel brauche ich?“ Steckwürfel helfen beim Nachbauen.
- Aufgaben aus dem Bild: Mit „Ergebnisse zeigen“ aus (
show=0) erscheinen die gesuchten Werte als „?“, bis die Animation gelaufen ist. - Anwendungen: Pizza (Preis pro Fläche), Modellbau (Lack , Masse bei gleichem Material im Maßstab ) und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (Wärmeverlust bei Tieren, Puderzucker, Holzspäne) bieten Anlässe zum Modellieren.
- Häufige Stolpersteine:
- „Doppelte Seitenlänge – doppelte Fläche“: Die Kopien im Bild machen sichtbar, dass es vier sind.
- Beim Verkleinern wird als größer als erwartet; bei gilt aber .
- Rückwärts wird der Faktor direkt als genommen („doppelte Fläche, also “), statt die Wurzel zu ziehen.
- Maßstab und Flächenmaßstab werden verwechselt: bei Längen bedeutet bei Flächen.