Lektion 4.3

Prismen und Zylinder

16 min Lesezeit

Eine Getränkedose besteht aus einem Boden, einem Deckel und einer Wand. Wie viel Blech braucht die Fabrik für eine Dose? Wie viel Getränk passt hinein?

Ein Haus mit Satteldach wirft ähnliche Fragen auf: Wie viel Luft ist im Haus, und wie viel Fläche muss gestrichen werden? Beide Körper haben eine Grundfläche und gehen gerade nach oben weiter.

Bei einem Quader kennst du die Antwort schon. In dieser Lektion überträgst du sie auf Prismen und Zylinder.

Definition

Prisma und Zylinder

Ein Prisma hat zwei gleiche Vielecke, die parallel übereinanderliegen: die Grundfläche und die Deckfläche. Rechtecke verbinden sie und heißen zusammen Mantel MM. Der Abstand von Grundfläche und Deckfläche ist die Höhe hh des Körpers. Ein Quader ist ein Prisma mit einem Rechteck als Grundfläche.

Ein Zylinder hat Kreise als Grundfläche und Deckfläche. Sein Mantel ist gekrümmt, wie die Wand einer Dose.

In dieser Lektion stehen die Seitenkanten immer senkrecht auf der Grundfläche. Den Flächeninhalt der Grundfläche nennen wir GG. Die Höhe hh des Körpers ist nicht die Höhe eines Dreiecks in der Grundfläche.

Definition

Netz und Oberflächeninhalt

Das Netz entsteht, wenn du den Körper an einigen Kanten aufschneidest und flach ausbreitest. Das Netz eines Prismas besteht aus der Grundfläche, der Deckfläche und so vielen Rechtecken, wie die Grundfläche Seiten hat. Beim Dreiecksprisma sind das zwei Dreiecke und drei Rechtecke. Nebeneinander gelegt bilden die Rechtecke ein langes Rechteck. Es ist hh hoch und so lang wie der Umfang uu der Grundfläche.

Das Netz des Zylinders besteht aus zwei Kreisen und einem Rechteck. Das Rechteck ist der abgerollte Mantel, wie das Etikett einer Dose. Es ist hh hoch und so lang wie der Kreisumfang, also 2⋅π⋅r2 \cdot \pi \cdot r.

Der Oberflächeninhalt OO ist der Flächeninhalt des ganzen Netzes: zweimal die Grundfläche plus der Mantel.

OPrisma=2⋅G+u⋅hOZylinder=2⋅π⋅r2+2⋅π⋅r⋅h\begin{aligned} O_{\text{Prisma}} &= 2 \cdot G + u \cdot h \\ O_{\text{Zylinder}} &= 2 \cdot \pi \cdot r^2 + 2 \cdot \pi \cdot r \cdot h \end{aligned}
Definition

Volumen

Beim Quader gilt V=a⋅b⋅cV = a \cdot b \cdot c. Dabei ist a⋅ba \cdot b die Grundfläche und cc die Höhe, also V=G⋅hV = G \cdot h. Dieselbe Idee passt für jedes Prisma. Stell dir den Körper als Stapel dünner Schichten vor. Jede Schicht hat die Form der Grundfläche, und die Höhe sagt, wie viele Schichten es sind. Ein Zylinder ist ebenso ein Stapel von Kreisen mit der Grundfläche π⋅r2\pi \cdot r^2.

Das Volumen gibst du in Kubikeinheiten an, zum Beispiel in cm³. Es gilt 1 cm³ = 1 ml und 1000 cm³ = 1 l.

VPrisma=G⋅hVZylinder=π⋅r2⋅hV_{\text{Prisma}} = G \cdot h \qquad V_{\text{Zylinder}} = \pi \cdot r^2 \cdot h
Beispiel

Ein Dreiecksprisma

Die Grundfläche eines Prismas ist ein Dreieck mit den Seiten 3 cm, 4 cm und 5 cm. Die Seiten 3 cm und 4 cm stehen senkrecht aufeinander. Das Prisma ist 10 cm hoch. Berechne Volumen und Oberflächeninhalt.

G=12⋅3⋅4=6V=6⋅10=60u=3+4+5=12M=12⋅10=120O=2⋅6+120=132\begin{aligned} G &= \frac{1}{2} \cdot 3 \cdot 4 = 6 \\ V &= 6 \cdot 10 = 60 \\ u &= 3 + 4 + 5 = 12 \\ M &= 12 \cdot 10 = 120 \\ O &= 2 \cdot 6 + 120 = 132 \end{aligned}

Weil 3 cm und 4 cm senkrecht aufeinander stehen, ist die eine Seite die Grundseite des Dreiecks und die andere seine Höhe. Das Volumen ist 6 · 10 = 60 cm³. Das Netz hat drei Rechtecke mit den Maßen 3 · 10, 4 · 10 und 5 · 10. Zusammen sind das 30 + 40 + 50 = 120 cm², das ist auch u⋅hu \cdot h. Dazu kommen zwei Dreiecke mit je 6 cm². Der Oberflächeninhalt ist 132 cm².

Beispiel

Die Dose

Eine Dose ist ein Zylinder mit dem Radius 3 cm und der Höhe 12 cm. Berechne Volumen und Oberflächeninhalt.

V=3,14⋅32⋅12=3,14⋅9⋅12=339,12M=2⋅3,14⋅3⋅12=226,08O=2⋅3,14⋅32+226,08=56,52+226,08=282,6\begin{aligned} V &= 3{,}14 \cdot 3^2 \cdot 12 = 3{,}14 \cdot 9 \cdot 12 = 339{,}12 \\ M &= 2 \cdot 3{,}14 \cdot 3 \cdot 12 = 226{,}08 \\ O &= 2 \cdot 3{,}14 \cdot 3^2 + 226{,}08 = 56{,}52 + 226{,}08 = 282{,}6 \end{aligned}

Du rechnest 3,14 · 9 = 28,26 und dann 28,26 · 12 = 339,12. Wegen 1 cm³ = 1 ml passen etwa 339 ml hinein. Der Mantel ist ein Rechteck, 12 cm hoch und 2 · 3,14 · 3 = 18,84 cm lang. Boden und Deckel haben zusammen 2 · 28,26 = 56,52 cm². Der Oberflächeninhalt ist 282,6 cm².

Das Volumen Schritt für Schritt

Schau dir den Rechenweg für die Dose an. Ändere dann die 3 (Radius) oder die 12 (Höhe), klicke auf "Rechnen" und vergleiche mit deiner eigenen Rechnung.

Definition

Schrägbild und Zweitafelbild

Das Schrägbild zeichnest du wie beim Quader. Die Vorderfläche (Dreieck, Rechteck oder Kreis) zeichnest du in wahrer Größe. Die Kanten nach hinten gehen schräg unter 45° und sind halb so lang wie in Wirklichkeit. Die hintere Fläche ist eine verschobene Kopie der vorderen. Beim Zylinder verbindest du die beiden Kreise außen mit zwei Linien.

Das Zweitafelbild zeigt den Körper von zwei Seiten in einer Zeichnung. Der Aufriss ist die Ansicht von vorn, der Grundriss die Ansicht von oben. Der Aufriss steht oben und der Grundriss darunter, so dass gleiche Breiten untereinander liegen.

KörperAufriss (von vorn)Grundriss (von oben)
Dreiecksprisma, steht auf der DreiecksflächeRechteckDreieck
Dreiecksprisma, liegt auf einem Rechteck, die Dreiecksfläche zeigt nach vornDreieckRechteck
Zylinder, steht auf dem KreisRechteckKreis
Zylinder, liegt auf dem Mantel, ein Kreis zeigt nach vornKreisRechteck
Definition

Zusammengesetzte Körper

Viele Körper bestehen aus Teilen, die du kennst. Für das Volumen addierst du die Teilvolumen. Fehlt ein Stück, zum Beispiel ein Loch, subtrahierst du sein Volumen.

Beim Oberflächeninhalt zählst du alle Flächen, die außen oder innen an die Luft grenzen. Flächen, an denen zwei Teile zusammenstoßen, gehören nicht mehr zur Oberfläche.

Beispiel

Das Haus

Ein Haus ist 10 m lang. Seine Giebelwand ist 8 m breit und 5 m hoch. Darüber sitzt ein Dreieck mit der Höhe 3 m, das ist das Dach. Berechne das Volumen des Hauses samt Dachraum.

G=8⋅5+12⋅8⋅3=40+12=52V=52⋅10=520Probe: V=8⋅5⋅10+12⋅8⋅3⋅10=400+120=520\begin{aligned} G &= 8 \cdot 5 + \frac{1}{2} \cdot 8 \cdot 3 = 40 + 12 = 52 \\ V &= 52 \cdot 10 = 520 \\ \text{Probe: } V &= 8 \cdot 5 \cdot 10 + \frac{1}{2} \cdot 8 \cdot 3 \cdot 10 = 400 + 120 = 520 \end{aligned}

Das Haus ist ein Prisma. Seine Grundfläche ist die Giebelwand aus Rechteck und Dreieck mit 52 m². Die Höhe des Körpers ist die Länge des Hauses. Zur Probe zerlegst du es in einen Quader (400 m³) und ein Dreiecksprisma als Dach (120 m³). Beide Wege führen zu 520 m³.

Beispiel

Ein Rohr

Ein Kunststoffrohr ist ein Hohlzylinder. Sein Außenradius ist 5 cm, sein Innenradius 4 cm, seine Länge 20 cm. Berechne das Volumen des Kunststoffs und den gesamten Oberflächeninhalt.

V=3,14⋅(52−42)⋅20=3,14⋅9⋅20=565,2Maußen=2⋅3,14⋅5⋅20=628Minnen=2⋅3,14⋅4⋅20=502,4Ringe=2⋅3,14⋅(52−42)=56,52O=628+502,4+56,52=1186,92\begin{aligned} V &= 3{,}14 \cdot (5^2 - 4^2) \cdot 20 = 3{,}14 \cdot 9 \cdot 20 = 565{,}2 \\ M_{\text{außen}} &= 2 \cdot 3{,}14 \cdot 5 \cdot 20 = 628 \\ M_{\text{innen}} &= 2 \cdot 3{,}14 \cdot 4 \cdot 20 = 502{,}4 \\ \text{Ringe} &= 2 \cdot 3{,}14 \cdot (5^2 - 4^2) = 56{,}52 \\ O &= 628 + 502{,}4 + 56{,}52 = 1186{,}92 \end{aligned}

Das Rohr ist ein großer Zylinder ohne den kleinen Zylinder im Inneren. Seine Grundfläche ist ein Kreisring. Zur Oberfläche gehören der Mantel außen, der Mantel innen und die beiden Ringe an den Enden.

Häufige Fehler

Nur den Mantel als Oberfläche

Jemand gibt für das Dreiecksprisma mit u=12u = 12 cm und h=10h = 10 cm den Oberflächeninhalt 12⋅10=12012 \cdot 10 = 120 cm² an.

Richtig ist

Das ist nur der Mantel. Zur Oberfläche gehören auch Grundfläche und Deckfläche. Richtig ist 120+2⋅6=132120 + 2 \cdot 6 = 132 cm².

Häufige Fehler

Den Durchmesser in die Zylinderformel setzen

Eine Dose hat den Durchmesser 6 cm und die Höhe 12 cm. Jemand rechnet 3,14⋅62⋅12=1356,483{,}14 \cdot 6^2 \cdot 12 = 1356{,}48 cm³.

Richtig ist

In die Formel gehört der Radius. Hier ist r=3r = 3 cm. Richtig ist 3,14⋅32⋅12=339,123{,}14 \cdot 3^2 \cdot 12 = 339{,}12 cm³. Das falsche Ergebnis ist viermal so groß, denn der Radius wird quadriert.

Häufige Fehler

Oberflächen zusammengesetzter Körper addieren

Zwei Würfel mit der Kantenlänge 2 cm stehen aufeinander. Jemand rechnet: Ein Würfel hat 24 cm², also hat der Turm 48 cm².

Richtig ist

Wo die Würfel sich berühren, liegen zwei Flächen von je 4 cm² innen. Sie gehören nicht zur Oberfläche. Richtig ist 48−2⋅4=4048 - 2 \cdot 4 = 40 cm².

Zusammenfassung

  • Ein Prisma hat eine Vieleck-Grundfläche und eine gleiche Deckfläche, verbunden durch den Mantel aus Rechtecken. Ein Zylinder hat Kreise statt der Vielecke.

  • Das Netz eines Prismas besteht aus zwei Grundflächen und so vielen Rechtecken, wie die Grundfläche Seiten hat. Beim Zylinder besteht es aus zwei Kreisen und einem Rechteck, das so lang ist wie der Kreisumfang.

  • Oberflächeninhalt: O=2⋅G+MO = 2 \cdot G + M. Der Mantel ist M=u⋅hM = u \cdot h. Beim Zylinder ist M=2⋅π⋅r⋅hM = 2 \cdot \pi \cdot r \cdot h.

  • Volumen: V=G⋅hV = G \cdot h. Beim Zylinder ist V=π⋅r2⋅hV = \pi \cdot r^2 \cdot h. Es gilt 1 cm³ = 1 ml.

  • Im Schrägbild zeichnest du die Vorderfläche in wahrer Größe, die Tiefe unter 45° und halb so lang. Das Zweitafelbild zeigt Aufriss (von vorn) und Grundriss (von oben).

  • Bei zusammengesetzten Körpern addierst oder subtrahierst du die Teilvolumen. Beim Oberflächeninhalt zählen nur die Flächen, die an die Luft grenzen.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Aus welchen Flächen besteht das Netz eines geraden Dreiecksprismas?

Aufgabe 2Numerisch

Die Grundfläche eines Prismas ist ein Trapez mit den parallelen Seiten 9 cm und 5 cm und der Trapezhöhe 4 cm. Das Prisma ist 10 cm hoch. Wie groß ist sein Volumen in cm³?

Aufgabe 3Numerisch

Ein Zylinder hat den Radius 5 cm und die Höhe 10 cm. Wie groß ist sein Volumen in cm³? Rechne mit 3,14.

Aufgabe 4Numerisch

Eine Dose ist ein Zylinder mit dem Radius 2 cm und der Höhe 5 cm. Wie groß ist ihr Oberflächeninhalt in cm²? Rechne mit 3,14.

Aufgabe 5Numerisch

Ein Quader ist 10 cm lang, 10 cm breit und 5 cm hoch. Durch seine ganze Höhe ist ein zylinderförmiges Loch mit dem Radius 2 cm gebohrt. Wie groß ist das Volumen des Körpers in cm³? Rechne mit 3,14.

Aufgabe 6Freitext

Ein Zylinder mit dem Radius 3 cm und der Höhe 8 cm steht auf dem Boden. Beschreibe Aufriss und Grundriss mit ihren Maßen. Was ändert sich, wenn der Zylinder auf dem Mantel liegt und ein Kreis nach vorn zeigt?