Geometrie
Prismen und Zylinder: Volumen und Oberfläche
Grundfläche mal Höhe, ein Prinzip für Toblerone-Packung und Konservendose.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Toblerone-Packung, Dachrinne, Konservendose, alle drei gehören zur selben Körperfamilie: Sie haben oben und unten dieselbe und dazwischen gerade Wände. Solche Körper heißen Prismen (mit Ecken) und Zylinder (rund), und für alle gilt dieselbe wunderbar einfache Volumenformel.
Das kannst du nach diesem Kapitel
Prismen erkennen und ihr mit berechnen.
die von Prismen über Grundflächen und Mantel bestimmen.
Zylinder berechnen: und .
Volumina in Liter umrechnen und Sachaufgaben lösen.
einen Körper im Zweitafelbild (Grundriss und Aufriss) darstellen und begründen, warum man dort messen kann, im Schrägbild aber nicht.
Was ist ein Prisma?
Ein Prisma hat zwei kongruente, parallele Grundflächen (beliebige Vielecke!) und als Seitenflächen. Namensgeber ist die Grundfläche: Dreiecksprisma (Toblerone!), Trapezprisma (Dachrinne), … Auch der ist ein Prisma mit Rechteck-Grundfläche. Im Bild ist die vordere Grundfläche grün hervorgehoben.
Beim Prisma (hier ein Dreiecksprisma, „Toblerone") ist die vordere die Grundfläche (grün). Der Körper entsteht, indem man um die Höhe (blau) verschiebt. Das ist die Idee hinter .
Das Volumen: Grundfläche mal Höhe
Die Idee: Die Grundfläche wird durch den Körper „hochgestapelt". berechnest du mit den Flächenformeln aus diesem Schuljahr (, …), ist der Abstand der beiden Grundflächen, nicht die Höhe der Grundfläche!
Plausibel gemacht, bewiesen ist es damit nicht. Das Stapelbild macht die Formel einleuchtend: lauter gleiche Scheiben übereinander. Sauber begründen lässt sie sich in Klasse 8 aber nicht, denn dafür müsste man mit unendlich dünnen Scheiben arbeiten. Das Ergebnis ist trotzdem exakt, keine Näherung, der Beweis gelingt in der Oberstufe mit Integralen.
Wichtiger als der Beweis ist hier die Bedingung: Die Formel gilt nur, solange der Querschnitt überall gleich bleibt. Genau daran erkennst du ein Prisma, und genau daran scheitert sie bei Körpern, die sich nach oben verjüngen.
Die Oberfläche
Der Mantel ist die Seitenwand, abgerollt ein aus dem der Grundfläche mal Körperhöhe: .
Der Zylinder
Ein Zylinder ist ein „Prisma mit Kreis-Grundfläche". Dieselben Prinzipien mit Kreisformeln:
Der abgerollte Mantel einer Dose ist das Etikett: ein mit Breite und Höhe (siehe Bild).
Der Zylinder ist ein Prisma mit Kreis-Grundfläche: . Rollt man den Mantel ab, ist er ein mit Breite (dem ) und Höhe , genau das Etikett einer Dose: .
Denk weiter: Woran erkennst du, ob für einen Körper Volumen gleich Grundfläche mal Höhe gilt, und was genau geht bei einer Pyramide schief?
Prüfe es erst selbst an ein paar Körpern.
Das Kennzeichen ist der Querschnitt. Schneide den Körper in Gedanken parallel zur Grundfläche durch, immer wieder, auf jeder Höhe. Ist dabei jedes Mal dieselbe Figur in derselben Größe zu sehen, dann ist der Körper ein Stapel aus lauter gleichen Scheiben, und es gilt :
- Toblerone-Packung → immer dasselbe ✓
- Konservendose → immer derselbe ✓
- ungespitzter Sechskant-Bleistift → immer dasselbe Sechseck ✓
Bei der Pyramide ändert sich der Querschnitt. Unten ist das am größten, nach oben wird es immer kleiner, an der Spitze verschwindet es ganz. Die Scheiben sind also nicht gleich, und einen Stapel ungleicher Scheiben kann man nicht als „eine mal Höhe" schreiben. Welche Fläche sollte man auch nehmen? Die untere ist zu groß, die obere zu klein.
Wie weit läge man daneben? Deutlich: In ein Prisma mit derselben Grundfläche und derselben Höhe passt die Pyramide genau dreimal hinein. Wer rechnet, bekommt also das Dreifache des richtigen Werts. Warum ausgerechnet ein Drittel herauskommt, lernst du in Klasse 9.
Die Reihenfolge ist das Eigentliche: erst fragen „ändert sich der Querschnitt?", dann rechnen, genauso wie beim in Klasse 7 erst geprüft wird, ob die überhaupt ist.
Deine Antwort darf anders klingen. Wichtig ist das Prüfkriterium: gleicher Querschnitt auf jeder Höhe.
Liter-Anschluss
Maße in dm einsetzen → Ergebnis direkt in Litern.
Das Zweitafelbild, wenn man Längen messen können muss
Das Schrägbild sieht räumlich aus und ist gut, um sich einen Körper vorzustellen. Für eine Werkstatt taugt es allerdings nicht. Der Grund steckt in seinen Bauregeln: Die Tiefenkanten werden schräg und nur halb so lang gezeichnet. Wer im Schrägbild eine Tiefe nachmisst, erhält also einen falschen Wert.
Deshalb benutzen Technik und Handwerk eine zweite Darstellung, in der jede Länge stimmt: das Zweitafelbild (auch Zweitafelprojektion).
Die Idee: zweimal geradeaus schauen
Statt schräg auf den Körper zu blicken, schaust du zweimal senkrecht darauf:
- Aufriss: der Blick genau von vorn.
- Grundriss: der Blick genau von oben.
Weil du jedes Mal frontal hinschaust, wird nichts verkürzt und nichts verzerrt, was du dort misst, ist die wahre Länge.
Warum die beiden Bilder übereinanderstehen
Aufriss und Grundriss zeigen denselben Körper aus verschiedenen Richtungen. Damit man sieht, was zusammengehört, zeichnet man den Grundriss genau unter den Aufriss, getrennt durch die Rissachse. Dann liegt jede Breite in beiden Bildern senkrecht übereinander; die dünnen Verbindungslinien heißen Ordnungslinien.
Beim Prisma unten erkennst du dadurch sofort: Der Grundriss zeigt die Grundfläche in wahrer Größe, der Aufriss die Höhe in wahrer Länge, zusammen also genau die beiden Größen aus .
Die drei Darstellungen im Vergleich:
| Darstellung | zeigt … | gut für … |
|---|---|---|
| Schrägbild | den Körper räumlich | die Vorstellung |
| Zweitafelbild | zwei senkrechte Ansichten in wahrer Größe | Messen und Konstruieren |
| Netz | alle flach ausgebreitet | Basteln und die |
Dreiecksprisma im Zweitafelbild. Der Grundriss (unten) zeigt die Grundfläche , das , in wahrer Größe; im Schrägbild wäre es verzerrt. Der Aufriss (oben) zeigt die Höhe in wahrer Länge. Die dünnen Hilfslinien (Ordnungslinien) verbinden, was zusammengehört: Was im Grundriss gleich breit ist, steht im Aufriss genau darüber.
Zylinder im Zweitafelbild: Von oben siehst du einen mit , von vorn ein der Breite und der Höhe . Beide Risse zusammen legen den Körper eindeutig fest, und alle Maße, die du für brauchst, kannst du hier direkt abmessen.
Dreiecksprisma (Zeltdach)
Ein Zelt hat die Form eines liegenden Dreiecksprismas: Die dreieckige Vorderseite ist breit und hoch, das Zelt ist lang. Wie viel Luft () enthält das Zelt?
- 1
Was ist gegeben, was ist gesucht?
Gegeben: die Maße der dreieckigen Vorderseite ( breit, hoch) und die Länge . Gesucht: das Volumen.
Die Formel für jedes Prisma lautet : Grundfläche mal Höhe. Du musst also zwei Dinge klären: Welche ist die Grundfläche, und was ist hier die Höhe?
- 2
Schritt 1: Die Grundfläche identifizieren.
Bei einem Prisma ist die Grundfläche die Fläche, die sich über die ganze Länge nicht ändert, hier also das an der Vorder- und Rückseite.
Das Zelt liegt auf der Seite. Die „Grundfläche" ist deshalb nicht der Zeltboden, sondern die dreieckige Stirnseite.
- 3
Schritt 2: Die Grundfläche berechnen.
Beachte: Die sind die Höhe des Dreiecks, nicht die Höhe des Prismas.
- 4
Schritt 3: Die Prismenhöhe bestimmen.
Die „Höhe" eines Prismas ist der Abstand zwischen Grund- und Deckfläche, also zwischen den beiden Dreiecken.
Hier ist das die Zeltlänge: .
Das ist die Stolperstelle dieser Aufgabe. Weil das Zelt liegt, ist die Prismenhöhe waagerecht.
- 5
Schritt 4: Volumen berechnen.
- 6
Schritt 5: Einheit und Plausibilität.
✓, ein Volumen.
Zur Einordnung: sind Liter. Für ein Zelt dieser Größe realistisch.
Und wo steckt die Idee der Formel? Das Zelt ist ein langer „Stapel" aus lauter gleichen Dreiecksscheiben, deshalb Grundfläche mal Länge.
Das Zelt enthält Luft (= Liter).
Zylinder komplett
Eine Konservendose hat und . Berechne und ().
- 1
Volumen: , gut ein halber Liter.
- 2
Deckel + Boden:
- 3
Mantel (Etikett):
- 4
Oberfläche:
,
Rückwärtsaufgabe
Ein zylindrisches Regenfass fasst Liter und hat den Innendurchmesser . Wie hoch steht das Wasser, wenn es voll ist ()?
- 1
Was ist gegeben, was ist gesucht?
Gegeben: Liter und . Gesucht: die Füllhöhe .
Wieder eine Umkehraufgabe, das ist bekannt, eine Eingangsgröße gesucht.
- 2
Schritt 1: Einheiten vereinheitlichen, der wichtigste Schritt.
Liter und Zentimeter passen nicht zusammen. Nutze die Brücke und rechne alles in Dezimeter:
Wer hier in cm weiterrechnet, muss die Liter erst in umwandeln, auch richtig, aber unhandlicher.
- 3
Schritt 2: Die Formel aufstellen.
Ein Zylinder ist ein Prisma mit als Grundfläche:
- 4
Schritt 3: Nach umstellen.
wird mit multipliziert, also durch teilen:
- 5
Schritt 4: Einsetzen und ausrechnen.
- 6
Schritt 5: In eine anschauliche Einheit umwandeln.
- 7
Schritt 6: Probe und Plausibilität.
Probe: , durch das Runden leicht daneben, aber stimmig ✓
Plausibilität: Ein Regenfass von etwa Breite und Höhe. Das passt zu einem typischen -Liter-Fass ✓
Das Wasser steht etwa hoch.
Typischer Fehler
Beim Dreiecksprisma wird gerechnet: „ … äh, welches war jetzt was? Einfach alles multiplizieren: ."
Da fehlt das Halbieren der Dreiecksfläche! Sauber getrennt: Erst die Grundfläche komplett berechnen (), dann mal Körperhöhe (). Zwei Schritte, zwei verschiedene Höhen, wer sie vermischt, bekommt das Doppelte heraus.
Übung 1
leichtEin Prisma hat die Grundfläche und die Höhe . Berechne das .
Tipp anzeigen
.
Lösung anzeigen
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Das Prisma-Prinzip verstehen
Ein Prisma ist ein „Stapel": die Grundfläche, Schicht für Schicht in die Höhe geschoben. Deshalb gilt .
- 2
Einsetzen und ausrechnen
.
Zwischenergebnis
- 3
Einheiten kontrollieren
() mal Länge () ergibt Volumen () ✓.
Übung 2
mittelBerechne und eines Zylinders mit und (Ergebnisse mit und ).
Tipp anzeigen
; .
Lösung anzeigen
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Volumen: Kreis-Grundfläche mal Höhe
.
- 2
Oberfläche: zwei Deckel plus Mantel
: zwei Kreisdeckel () plus Mantel ().
- 3
Zusammenfassen und runden
.
Zwischenergebnis
Übung 3
schwerEine Dachrinne hat als Querschnitt ein : oben breit, unten , Tiefe (Höhe des Trapezes) . Die Rinne ist lang. Wie viele Liter Wasser fasst sie maximal?
Tipp anzeigen
Alles in dm: Trapezfläche in dm², Länge in dm.
Lösung anzeigen
In dm: , , , Länge .
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
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Die Rinne als liegendes Prisma erkennen
Der Trapez-Querschnitt ist die GRUNDFLÄCHE, die Rinnenlänge die „Höhe" des Prismas, es liegt nur auf der Seite.
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Alles in Dezimeter umrechnen
Ziel Liter = → alle Maße in dm: , , , Länge .
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Trapezfläche und Volumen berechnen
; Liter.
Zwischenergebnis
Liter
Übung: Zweitafelbild
leichtEin Zylinder hat den und die Höhe . a) Welche Figur ist sein Grundriss, welche sein Aufriss? Gib jeweils die Maße an. b) Zeichne das Zweitafelbild im . c) Warum könntest du die Höhe in einem Schrägbild nicht einfach nachmessen?
Tipp anzeigen
Überlege bei jedem Riss: Aus welcher Richtung schaue ich, und welche Kanten sehe ich dabei in wahrer Länge?
Lösung anzeigen
a) Grundriss: ein mit ( ). Aufriss: ein der Breite und der Höhe .
b) Aufriss oben, Grundriss genau darunter, beide breit, senkrecht ausgerichtet an der Rissachse.
c) Im Schrägbild ist die Höhe zwar in wahrer Länge gezeichnet, die Tiefenkanten aber nur halb so lang und schräg. Weil dort also nicht alle Längen echt sind, darf man im Schrägbild grundsätzlich nicht messen, im Zweitafelbild schon.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Grundriss und Aufriss bestimmen
Von OBEN gesehen (Grundriss): ein Kreis mit cm. Von VORN gesehen (Aufriss): ein Rechteck, cm breit (Durchmesser) und cm hoch.
- 2
b) Das Zweitafelbild anordnen
Aufriss oben, Grundriss exakt darunter, beide an der Rissachse ausgerichtet: Beide sind cm breit, die Breiten liegen senkrecht untereinander.
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c) Warum das Schrägbild beim Messen lügt
Im Schrägbild sind nur Höhe und Breite in wahrer Länge; die TIEFENKANTEN sind halbiert und unter gezeichnet. Messen liefert dort also falsche Werte, im Zweitafelbild sind alle Strecken echt.
Zusammenfassung
Prismen und Zylinder teilen ein Bauprinzip (konstanter Querschnitt) und damit eine Formel: . Die besteht aus zwei Grundflächen plus Mantel (; beim Zylinder das abgerollte Etikett ). Grundflächen- und Körperhöhe sauber trennen, bei Litern in dm rechnen, dann sitzt jede Aufgabe.


