Geometrie
Pyramide, Kegel und Kugel
Spitze und runde Körper: Volumen und Oberfläche der letzten großen Körperfamilie.
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
Cheops-Pyramide, Eistüte, Fußball, nach und fehlen noch die spitzen und ganz Körper. Ihr Geheimnis: Spitze Körper fassen genau ein Drittel ihres „geraden" Gegenstücks (probier's mit Wasser!), und die Kugel bricht alle Regeln mit und einer überraschend eleganten Oberflächenformel.
Das kannst du nach diesem Kapitel
und von Pyramiden berechnen ().
Volumen und Oberfläche von Kegeln berechnen, inkl. Mantellinie über .
Volumen und Oberfläche der Kugel berechnen.
zusammengesetzte Körper (Eistüte, Silo) in Teilkörper zerlegen.
Pyramide und Kegel im Zweitafelbild darstellen und daraus die Maße für Oberfläche und Volumen ablesen.
Warum bei spitzen Körpern ein Drittel herauskommt
Bis jetzt kennst du Körper, die oben genauso breit sind wie unten: , , . Bei ihnen gilt immer dieselbe Idee: Grundfläche mal Höhe, weil die Grundfläche einfach nach oben gestapelt wird:
Jetzt kommen Körper dazu, die nach oben spitz zulaufen: Pyramide und Kegel. Hier kann die Formel nicht mehr stimmen, denn oben ist viel weniger Platz als unten. Die Frage ist nur: wie viel weniger?
Die erste Schätzung, und warum sie meist falsch ist
Viele tippen auf die Hälfte. Das klingt plausibel, ist aber zu großzügig. Der Grund: Die Grundfläche schrumpft auf dem Weg nach oben nicht gleichmäßig, sondern quadratisch. Genau das hast du beim Streckfaktor gesehen: Halbiert man alle Längen, wird die nur ein Viertel so groß. Auf halber Höhe der Pyramide hat der Querschnitt also nur noch ein Viertel der Grundfläche, nicht die Hälfte. Deshalb bleibt insgesamt weniger als die Hälfte übrig.
Das Experiment, das die Antwort liefert
Nimm ein Prisma und eine Pyramide mit genau derselben Grundfläche und derselben Höhe. Füll die Pyramide mit Wasser und schütte es in das Prisma. Dann noch einmal. Und noch einmal. Nach dem dritten Mal ist das Prisma exakt voll.
Das ist keine Näherung, sondern exakt. Man kann es beweisen (in der Oberstufe mit Integralen). Und das Erstaunliche: Es gilt für jede Grundfläche, ganz egal ob , oder . Deshalb ist der Kegel kein neuer Fall, sondern derselbe: Er ist eine Pyramide mit Kreisgrundfläche, also setzt man einfach ein:
Was du dir wirklich merken musst
Nicht zwei neue Formeln, sondern eine Idee: Spitze Körper haben ein Drittel des des „geraden" Körpers mit gleicher Grundfläche und Höhe.
Typischer Fehler: Das vergessen. Ein guter Reflex ist die Plausibilitätskontrolle, kommt für eine Pyramide mehr heraus als für den umgebenden Quader, ist etwas schiefgegangen.
Und noch eine Verwechslung: Die Höhe ist der senkrechte Abstand von der Spitze zur Grundfläche, nicht die schräge Seitenkante. Um das zu unterscheiden, hilft das Bild unten.
Die quadratische Pyramide mit Grundkante (grün), Körperhöhe (blau) und Seitenhöhe (rot). Ihr ist ein Drittel des gleicher Grundfläche und Höhe: . Die Seitenhöhe findest du mit : .
Die Oberfläche der Pyramide, und wo Pythagoras hilft
Beim ging es um den Inhalt. Jetzt geht es um die Außenhaut: Wie viel Material braucht man, um die Pyramide zu bauen?
Die Antwort entsteht, indem du den Körper in seine zerlegst, genau wie beim Netz in Klasse 5. Eine quadratische Pyramide besteht aus:
- der Grundfläche : ein mit der Seite , also ,
- dem Mantel : vier gleichschenklige .
Das Problem mit den Dreiecken
Für den Flächeninhalt eines Dreiecks brauchst du Grundseite und Höhe: . Die Grundseite ist . Das ist klar. Aber welche Höhe?
Nicht die Körperhöhe ! Die verläuft im Inneren der Pyramide, senkrecht nach unten zur Mitte der Grundfläche. Die Seitendreiecke stehen aber schräg. Ihre Höhe ist die Strecke von der Spitze zur Mitte einer Grundkante, gemessen auf der schrägen Fläche. Sie heißt Seitenhöhe und wird geschrieben (das steht für „Seite"). Sie ist immer länger als .
Wie du berechnest
Hier kommt ins Spiel. Suche das rechtwinklige Dreieck: Es besteht aus
- der Körperhöhe (senkrecht von der Spitze zur Mitte der Grundfläche),
- der Strecke von der Mitte der Grundfläche zur Mitte einer Grundkante. Das ist genau die halbe Grundkante, also ,
- und der Seitenhöhe als Verbindung von der Spitze zur Kantenmitte.
Die ersten beiden Strecken stehen senkrecht zueinander (die Höhe steht senkrecht auf der Grundfläche), ist also die :
Häufigster Fehler: statt einsetzen. Denk an das Bild: Von der Mitte des Grundquadrats bis zur Kante ist es nur die halbe Seitenlänge.
Der Mantel
Ein Seitendreieck hat die Fläche . Bei vier gleichen Dreiecken:
Du musst diese Formel nicht auswendig lernen, wenn du den Weg verstehst: Grundfläche plus vier Dreiecke, und für die Dreiecke brauchst du erst über Pythagoras.
Der Kegel: dieselbe Idee, nur rund
Beim Kegel läuft alles parallel zur Pyramide, nur ist die Grundfläche ein und der Mantel eine gebogene .
Die Mantellinie
Was bei der Pyramide die Seitenhöhe war, ist beim Kegel die Mantellinie : die Strecke von der Spitze zum Rand des Grundkreises, gemessen an der Außenseite. Auch sie bekommst du über , und das rechtwinklige ist noch einfacher zu finden als bei der Pyramide:
- die Höhe (senkrecht von der Spitze zum Kreismittelpunkt),
- der (vom Mittelpunkt zum Kreisrand),
- die Mantellinie als .
Im Bild unten siehst du dieses Dreieck direkt, und im Zweitafelbild weiter unten sogar unverzerrt.
Merke den Unterschied: , und bilden das rechtwinklige Dreieck. ist die längste dieser drei Strecken, weil sie die Hypotenuse ist. Kommt bei dir heraus, hast du addiert und subtrahiert vertauscht.
Die Mantelfläche
Rollst du den Kegelmantel ab, entsteht kein (wie beim ), sondern ein Kreisausschnitt, ein „Tortenstück" mit dem Radius .
Woher diese Formel kommt
Sie sieht überraschend aus, im Mantel steckt plötzlich der Grundkreisradius und die Mantellinie . Du kannst sie aber vollständig aus dem herleiten, was du über Kreisausschnitte aus Klasse 8 weißt.
Schritt 1: Welches „Tortenstück" ist es genau? Der abgerollte Mantel ist ein Ausschnitt aus einem Kreis mit dem Radius , denn jeder Punkt des Grundkreisrandes ist über die Mantellinie mit der Spitze verbunden, und beim Abrollen wird die Spitze zum Mittelpunkt.
Schritt 2: Wie groß ist der Anteil? Aus Klasse 8 weißt du: Ein Kreisausschnitt hat denselben Anteil an der wie sein Bogen am . Wir brauchen also beide Bogenlängen:
- Der Bogen des Ausschnitts ist der abgerollte Rand des Grundkreises. Seine Länge ist deshalb der Grundkreisumfang: .
- Der volle Kreis mit Radius hat den .
Der Anteil ist damit
Der Faktor sich vollständig weg: übrig bleibt das schlichte Verhältnis der beiden Radien.
Schritt 3: Den Anteil auf die Fläche anwenden. Der volle Kreis mit Radius hat die Fläche . Der Mantel ist genau der Anteil davon:
Ein kürzt sich gegen das , und damit steht die Formel da, ohne dass etwas behauptet werden musste.
Die Kontrolle am Sonderfall: Wäre , entstünde beim Abrollen ein voller Kreis (Anteil ), und die Formel lieferte , genau die Kreisfläche ✓ Ein solcher Kegel wäre allerdings platt, denn nach Pythagoras bliebe für die Höhe .
Damit ergibt sich die als Grundkreis plus Mantel:
Wofür du welche Größe brauchst, die häufigste Verwechslung in Klassenarbeiten:
| gesucht | Formel | gebraucht wird |
|---|---|---|
| die Höhe | ||
| Oberfläche | die Mantellinie |
Steht in der Aufgabe nur , du brauchst aber (oder umgekehrt), dann ist Pythagoras der Zwischenschritt. Genau darauf zielen die meisten Aufgaben zu diesem Thema ab.
Der Kegel mit (grün), Höhe (blau) und Mantellinie (rot). Auch hier gilt : . , Mantel .
Prüfe dich: Der abgerollte Kegelmantel ist ein Tortenstück aus einem Kreis mit Radius s. Welchen Anteil dieses Kreises bedeckt er, und wie folgt daraus die Mantelformel?
Versuch es erst aus dem Kopf, die Herleitung stand direkt über dem Bild.
Der Anteil ist . Und so kommt er zustande: Ein Kreisausschnitt hat denselben Anteil an der wie sein Bogen am vollen (die Anteilsregel aus Klasse 8). Der Bogen des Tortenstücks ist der abgerollte Rand des Grundkreises, also lang; der volle mit hat den Umfang . Der Anteil ist deshalb
Das sich vollständig weg.
Daraus folgt die Mantelformel in einer Zeile: Der volle Kreis hat die , der Mantel ist der Anteil davon:
Die Kontrolle am Sonderfall: Für wäre der Anteil , beim Abrollen entstünde ein voller Kreis mit . Ein solcher „Kegel" wäre völlig platt, denn nach bliebe . Passt.
Und die praktische Folge für Klassenarbeiten: In der Mantelformel steckt , nicht . Steht in der Aufgabe nur die Höhe, ist der Pflicht-Zwischenschritt, genau daran entscheiden sich die meisten Kegelaufgaben.
Die Kugel: der Sonderfall ohne Kanten
Die Kugel ist der einzige Körper hier, der keine ebene , keine Kante und keine Ecke hat. Sie ist vollständig durch eine einzige Zahl bestimmt: den . Ihre beiden Formeln lauten
Diese beiden Formeln kann man in Klasse 9 nicht herleiten, dafür braucht man Integralrechnung, die dir in Klasse 12 begegnet. Das ist kein Grund, sie blind zu übernehmen; du kannst sie trotzdem verstehen und prüfen.
Woran du erkennst, dass die Formeln stimmig sind
Die Einheiten müssen passen. Beim steht , drei Längen multipliziert ergeben einen Rauminhalt (). Bei der steht , zwei Längen ergeben eine Fläche (). Wer und vertauscht, erkennt das sofort an der falschen Einheit im Ergebnis.
Die Oberfläche hat eine schöne Deutung: ist genau viermal die Fläche des mit demselben Radius (), also viermal die Fläche des „Schattens", den die Kugel wirft. Diesen Zusammenhang hat Archimedes vor über Jahren gefunden, und er war so stolz darauf, dass er sich eine Kugel auf den Grabstein wünschte.
Vorsicht beim Vergrößern
Eine Kugel mit doppeltem Radius hat also nicht doppelt, sondern achtmal so viel Inhalt. Das ist derselbe Gedanke wie beim Streckfaktor: Längen wachsen mit , Flächen mit , Volumina mit . Deshalb ist eine Kugel Eis mit doppeltem nicht doppelt so viel Eis, sondern achtmal so viel.
Die Kugel mit : (Raum → hoch ) und , genau viermal die ihres Schattenkreises. Doppelter Radius bedeutet -faches !
Pyramide und Kegel im Zweitafelbild
Für und hast du das Zweitafelbild bereits kennengelernt: Aufriss (Blick von vorn) über Grundriss (Blick von oben), beide senkrecht ausgerichtet an der Rissachse, und der entscheidende Vorteil gegenüber dem Schrägbild ist, dass jede Strecke, die parallel zur jeweiligen Tafel liegt, in wahrer Größe erscheint.
(Ganz wörtlich „jede Länge" wäre zu viel versprochen: Eine Seitenkante der Pyramide läuft schräg in die Tiefe und erscheint deshalb in beiden Rissen verkürzt, im Grundriss siehst du sie nur als halbe Diagonale. Aber die Längen, mit denen du hier rechnest, , , , und , liegen alle tafelparallel und sind darum echt.)
Bei spitzen Körpern ist das besonders nützlich, denn hier brauchst du für die zusätzliche Längen ( bzw. ), die du im Schrägbild nicht messen könntest.
Was du in welchem Riss siehst:
| Körper | Grundriss (von oben) | Aufriss (von vorn) |
|---|---|---|
| quadratische Pyramide | mit Seite , dazu die Diagonalen als Seitenkanten | mit der Höhe |
| Kegel | mit | gleichschenkliges Dreieck, Breite , Höhe |
Vergleiche die Bilder unten mit den Schrägbildern von oben. Beim Kegel siehst du im Aufriss sogar direkt, warum gilt: Die halbe Grundlinie (), die Höhe () und die Schrägseite () bilden dort ein rechtwinkliges Dreieck, genau die Figur, auf die du anwendest.
Quadratische Pyramide im Zweitafelbild. Von oben (Grundriss) siehst du das Grundquadrat mit der Seite in wahrer Größe; die beiden Diagonalen sind die vier Seitenkanten, die von oben betrachtet zur Spitze in der Mitte laufen. Von vorn (Aufriss) misst du die Höhe , im Schrägbild wäre keine dieser Längen echt.
Kegel im Zweitafelbild: von oben ein mit , von vorn ein gleichschenkliges der Breite und der Höhe . Die Schrägseite dieses Dreiecks ist genau die Mantellinie , hier siehst du unmittelbar, warum , und ein rechtwinkliges Dreieck bilden und gilt.
Quadratische Pyramide
Eine quadratische Pyramide hat die Grundkante und die Höhe . Berechne und .
- 1
Angaben sortieren. Gegeben sind die Grundkante und die Körperhöhe . „Quadratisch" bedeutet: Die Grundfläche ist ein mit der Seite .
Gesucht sind zwei Größen, das Volumen (Rauminhalt, Einheit ) und die Oberfläche (Außenhaut, Einheit ). Wir bearbeiten sie nacheinander.
- 2
Teil 1: welche Formel passt fürs Volumen? Die Pyramide läuft spitz zu, also gilt das Drittel-Prinzip:
Zuerst brauchen wir die Grundfläche . Sie ist ein Quadrat:
- 3
Einsetzen und ausrechnen.
Rechne der Reihe nach: , dann .
Warum ? Weil drei Längen multipliziert wurden, ein Rauminhalt hat immer eine Kubikeinheit.
Plausibilität: Ein mit derselben Grundfläche und Höhe hätte . Unser Ergebnis ist genau ein Drittel davon ✓
- 4
Teil 2: die Oberfläche. Sie besteht aus der Grundfläche und den vier Seitendreiecken:
Für die brauchen wir ihre Höhe, und das ist nicht die Körperhöhe , sondern die schräg verlaufende Seitenhöhe . Die müssen wir zuerst berechnen.
- 5
Die Seitenhöhe mit . Das rechtwinklige Dreieck besteht aus:
- der Körperhöhe ,
- der halben Grundkante (von der Mitte des Quadrats bis zur Kantenmitte),
- der Seitenhöhe als .
Die häufigste Fehlerquelle: hier statt einzusetzen. Es ist die halbe Grundkante, schau dir dazu den Grundriss im Zweitafelbild an.
- 6
Den Mantel berechnen. Ein Seitendreieck hat die Grundseite und die Höhe :
Davon gibt es vier gleiche:
- 7
Alles zusammensetzen.
Warum ? Wir haben addiert, das Ergebnis ist eine Fläche. Und Flächen darf man nur addieren, wenn sie dieselbe Einheit haben, was hier der Fall ist.
und
Beachte den Unterschied der Einheiten: Das Volumen sagt, wie viel hineinpasst (), die Oberfläche, wie viel Material die Außenhaut braucht (). Kommen bei dir gleiche Einheiten heraus, hast du eine Formel verwechselt.
Kegel (Eistüte)
Eine Eistüte hat den und die Höhe . Berechne das und die Mantelfläche ().
- 1
Angaben und Ziel. Gegeben sind und . Gesucht sind das Volumen (wie viel Eis passt hinein?) und die Mantelfläche (wie viel Waffel wird gebraucht?).
Merke dir schon jetzt die Faustregel dieses Kapitels: Fürs Volumen brauchst du , für die brauchst du . Die Mantellinie ist hier nicht gegeben. Wir werden sie also noch berechnen müssen.
- 2
Teil 1: Volumen. Der Kegel ist eine Pyramide mit Kreisgrundfläche, also gilt wieder das Drittel-Prinzip mit :
- 3
Schrittweise ausrechnen. Zuerst das , dann die Zahlen zusammenfassen:
Tipp: Rechne so lange wie möglich mit als Symbol und runde erst ganz am Ende, das vermeidet Rundungsfehler. Und sind gut Liter Eis, das klingt realistisch ✓
- 4
Teil 2: zuerst die Mantellinie. Für die Mantelfläche brauchen wir , und die bekommen wir über Pythagoras. Das rechtwinklige besteht aus , und , wobei die ist:
Kontrolle: muss größer sein als , weil die Hypotenuse die längste Seite ist ✓
- 5
Jetzt die Mantelfläche. Der abgerollte Kegelmantel ist ein Kreisausschnitt mit der
Warum ? Es ist eine Fläche, zwei Längen sind multipliziert worden.
und
Der typische Stolperstein bei Kegelaufgaben: und zu verwechseln. Prüfe bei jeder Teilaufgabe zuerst, welche der beiden Größen die Formel verlangt, und rechne die fehlende notfalls mit aus.
Kugel
Ein Fußball hat den . Berechne und ().
- 1
Erst lesen, dann rechnen. Gegeben ist der Durchmesser , aber in beiden Kugelformeln steht der . Dieser Unterschied ist die häufigste Fehlerquelle bei Kugelaufgaben.
Der Radius ist der halbe Durchmesser:
Merke: Immer zuerst prüfen, ob oder gegeben ist. Wer mit weiterrechnet, erhält das achtfache Volumen.
- 2
Teil 1: Volumen. Die Formel lautet
Zuerst die , denn Potenzen kommen vor Punktrechnung:
- 3
Einsetzen und ausrechnen.
Einheit: bedeutet drei Längen multipliziert, also , ein Rauminhalt.
Plausibilität: sind etwa Liter. Für einen Fußball ist das eine sinnvolle Größenordnung ✓
- 4
Teil 2: Oberfläche.
Einheit: Hier steht , also zwei Längen, eine in . Das ist die Menge Leder, die für den Ball gebraucht wird.
- 5
Eine Kontrolle, die die Formel verständlich macht. Die Kugeloberfläche ist genau viermal die Fläche des mit demselben Radius:
Wenn du also vergessen hast, kannst du dir merken: viermal der „Schattenkreis" des Balls.
(etwa Liter) und
Die zwei Fallen dieser Aufgabe: erstens statt einsetzen, zweitens und vertauschen. Gegen beides hilft der Blick auf die Einheit des Ergebnisses.
Typischer Fehler
Kegel: „: Mantel ist mal Höhe mal ."
Im Kegelmantel steckt die Mantellinie , nicht die Höhe: ! Die Höhe steht senkrecht im Inneren, die Mantellinie läuft außen schräg zur Spitze. Sie ist immer länger (). Gleiches Muster bei der Pyramide: Für den Mantel brauchst du die Seitenhöhe , nicht die Körperhöhe.
Übung 1
leichtBerechne das : a) Pyramide mit , b) Kegel mit , (mit )
Tipp anzeigen
Ein Drittel nicht vergessen!
Lösung anzeigen
a)
b)
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) Pyramide: ein Drittel des Prismas
.
- 2
b) Kegel: gleiche Formel, Kreis als Grundfläche
.
- 3
Ergebnisse einordnen
Beide in ✓. Vergleich mit den vollen Körpern: Prisma , Zylinder , die spitzen Körper fassen genau ein Drittel davon.
Übung 2
mittelEine Kugel hat den . Berechne und (exakt 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: die r³-Formel
.
Zwischenergebnis
- 2
Oberfläche: die r²-Formel
.
- 3
Exakt und gerundet angeben
Exakt: , ; gerundet und .
Übung 3
schwerEin Getreidesilo besteht aus einem (, ) mit aufgesetztem Kegeldach (, ). a) Wie viel m³ fasst das Silo insgesamt? b) Wie viel des steckt im Kegeldach?
Tipp anzeigen
Teilvolumina addieren.
Lösung anzeigen
a) Zylinder: ; Kegel:
Gesamt:
b)
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) Das Silo in Teilkörper zerlegen
Zylinder: . Kegeldach: .
- 2
a) Gesamtvolumen
.
Zwischenergebnis
- 3
b) Anteil des Kegeldachs
.
Übung: Kegel im Zweitafelbild
mittelEin Kegel hat und . a) Beschreibe Grundriss und Aufriss mit ihren Maßen. b) Welche Länge ist im Aufriss die Schrägseite, und wie lang ist sie? c) Berechne damit den . d) Warum wäre ein Schrägbild für diese Aufgabe die schlechtere Zeichnung?
Tipp anzeigen
Zeichne zuerst den Aufriss und suche darin das rechtwinklige mit , und .
Lösung anzeigen
a) Grundriss: mit . Aufriss: gleichschenkliges Dreieck, Breite , Höhe .
b) Die Schrägseite ist die Mantellinie . Halbe Grundlinie, Höhe und Mantellinie bilden ein rechtwinkliges Dreieck: .
c)
d) Im Schrägbild erscheint der Grundkreis als Ellipse und die Tiefenkanten sind verkürzt, dort ließe sich weder noch messen. Im Aufriss steht das rechtwinklige Dreieck aus , und dagegen unverzerrt vor dir.
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 des Kegels
Grundriss (von oben): Kreis mit cm. Aufriss (von vorn): gleichschenkliges Dreieck, Breite cm, Höhe cm.
- 2
b) Die Mantellinie mit Pythagoras
Die Schrägseite des Aufriss-Dreiecks ist die Mantellinie . , Höhe und bilden ein rechtwinkliges Dreieck: cm.
Zwischenergebnis
cm
- 3
c) Oberfläche aus Grundkreis und Mantel
.
- 4
d) Warum das Schrägbild hier versagt
Im Schrägbild erscheint der Grundkreis als Ellipse und die Tiefen sind verkürzt, weder noch ließe sich dort messen. Im Aufriss steht das ---Dreieck unverzerrt da.
Zusammenfassung
Spitze Körper folgen dem Drittel-Prinzip (), ihre Mäntel brauchen die schrägen Längen (Seitenhöhe, Mantellinie) aus . Die Kugel krönt die Körperwelt mit und , und erinnert daran, dass Volumina mit der dritten wachsen. Zusammengesetzte Körper? Zerlegen und addieren.


