Schwerpunktfach · Lerngebiet 4 · Geometrie · 70 Lektionen

4.2b Pyramiden, Kegel und Stümpfe

RLP 4.2 · Teil 2 von 3

Von der Cheops-Pyramide zum Kirchturmdach: Spitze Körper laufen von der Grundfläche auf einen Punkt zu — und fassen genau ein Drittel des zugehörigen Prismas oder Zylinders. Dazu kommen ihre eigenen Elemente (Seitenhöhe, Mantellinie, Öffnungswinkel) und die Stümpfe: abgeschnittene Kegel und Pyramiden, die man am elegantesten mit der Ähnlichkeit im Raum knackt.

📋 Kompetenzen nach RLP 2030 — Teilgebiet 4.2
  • geometrische Sachverhalte von elementaren Objekten (Prisma, Pyramide, Pyramidenstumpf, Kreiszylinder, Kreiskegel, Kreiskegelstumpf, Kugel) beschreiben
  • deren Elemente (Körperdiagonale, Höhen, Öffnungswinkel, Mantellinie) und Zusammenhänge (Volumen, Oberfläche) berechnen
  • die Ähnlichkeit für Berechnungen im Raum nutzen

Diese Seite behandelt Pyramide, Kreiskegel und die beiden Stümpfe — inklusive Ähnlichkeit im Raum. Grundkörper mit konstantem Querschnitt in Teil 1 (s4-2a); es folgt Teil 3: Kugel und zusammengesetzte Körper (s4-2c).

🎯 Lernziele — das kann ich nach dieser Seite
  • Ich kann Volumen und Oberfläche gerader Pyramiden berechnen: \(V = \tfrac{1}{3} G h\), Mantel über die Seitenhöhe \(h_s\).
  • Ich kann am Kreiskegel Mantellinie \(m = \sqrt{r^2 + h^2}\), Mantel \(M = \pi r m\) und Öffnungswinkel berechnen.
  • Ich kann den abgerollten Kegelmantel als Kreissektor deuten und damit rückwärts rechnen.
  • Ich kann Volumen und Mantel von Pyramiden- und Kegelstumpf berechnen.
  • Ich kann die Ähnlichkeit im Raum nutzen: Längen skalieren mit \(k\), Flächen mit \(k^2\), Volumen mit \(k^3\).
  • Ich kann Höhen, Kanten und Winkel in spitzen Körpern mit Pythagoras und Trigonometrie bestimmen.

Einstieg — warum ein Drittel?

Die Cheops-Pyramide: quadratische Grundfläche mit \(a = 230\) m, Höhe \(h = 146.6\) m. Ihr Volumen ist

\[ V = \frac{1}{3} \cdot 230^2 \cdot 146.6 \approx 2.59\ \text{Mio.}\ \text{m}^3 \]

Woher kommt der Faktor \(\tfrac{1}{3}\)? Füllt man eine Pyramide mit Wasser und giesst sie in ein Prisma mit gleicher Grundfläche und Höhe, braucht es genau drei Füllungen.

⏳ Drei Pyramiden füllen ein Prisma

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Genau drei Pyramidenfüllungen — der Faktor \(\tfrac{1}{3}\) ist experimentell sichtbar und gilt für alle spitzen Körper: \(V = \tfrac{1}{3} G h\), beim Kegel \(\tfrac{1}{3}\pi r^2 h\).

Pyramide und Prisma mit gleicher Grundfläche und Höhe · Füllstand orange

1.0
Füllstand des Prismas
📘 Was sehen wir?

Der Drittel-Faktor ist kein Zufall, sondern System:

  • Spitze Körper: \(V = \tfrac{1}{3} G h\) — ein Drittel des «geraden» Partners.
  • Das gilt für jede Grundflächenform: Quadrat (Pyramide), Kreis (Kegel), Dreieck (Tetraeder).
✏️ Mini-Check — Einstieg
Multiple Choice

Wie verhält sich das Pyramidenvolumen zum Prisma mit gleicher Grundfläche und Höhe?

  • gleich gross
  • halb so gross
  • ein Drittel
Lösung anzeigen
C. Drei Pyramidenfüllungen füllen das Prisma.
Lückentext

Für alle spitzen Körper gilt \(V = \frac{1}{3} \cdot\) \(\cdot\ h\).

Lösung anzeigen
Grundfläche \(G\).
Kurze Rechnung

Pyramide mit \(G = 25\ \text{m}^2\) und \(h = 12\) m: Berechne das Volumen.

Lösung anzeigen
\(V = \tfrac{1}{3} \cdot 25 \cdot 12 = 100\ \text{m}^3\).
Transfer

Ein Trinkbecher-Kegel und eine Dose (Zylinder) haben gleichen Radius und gleiche Höhe. Wie oft musst du den Becher füllen, um die Dose zu füllen?

Lösungsweg anzeigen
Dreimal — der Kegel ist der «spitze Zylinder»: \(V_{\text{Kegel}} = \tfrac{1}{3} V_{\text{Zylinder}}\).

Die gerade Pyramide

📘 Pyramide — Volumen und Mantel

Eine gerade Pyramide hat ein Vieleck als Grundfläche; die Spitze liegt senkrecht über deren Mittelpunkt.

\[ V = \frac{1}{3} \, G \, h \]

Der Mantel besteht aus Dreiecken. Bei der quadratischen Pyramide (Kante \(a\)) ist die Seitenhöhe \(h_s\) die Höhe eines Manteldreiecks:

\[ h_s = \sqrt{h^2 + \left(\tfrac{a}{2}\right)^2}, \qquad M = 4 \cdot \tfrac{a \, h_s}{2} = 2 a h_s, \qquad O = a^2 + M \]

Die Seitenkante \(s\) läuft zur Ecke: \(s = \sqrt{h^2 + \left(\tfrac{a\sqrt{2}}{2}\right)^2}\) — halbe Diagonale statt halbe Kante.

🟢 Beispiel 1 — quadratische Pyramide komplett

Quadratische Pyramide mit \(a = 6\) cm und \(h = 4\) cm:

\[ V = \tfrac{1}{3} \cdot 36 \cdot 4 = 48\ \text{cm}^3, \qquad h_s = \sqrt{16 + 9} = 5\ \text{cm} \] \[ M = 2 \cdot 6 \cdot 5 = 60\ \text{cm}^2, \qquad O = 36 + 60 = 96\ \text{cm}^2 \]

Seitenkante: \(s = \sqrt{16 + 18} = \sqrt{34} \approx 5.83\) cm.

⚠ Häufiger Fehler — Höhe, Seitenhöhe und Kante verwechseln

Drei verschiedene Strecken: Körperhöhe \(h\) (senkrecht zur Grundfläche), Seitenhöhe \(h_s\) (im Manteldreieck, zur Kantenmitte) und Seitenkante \(s\) (zur Ecke). Es gilt stets \(h < h_s < s\). Für den Mantel braucht es \(h_s\), nicht \(h\)!

✏️ Mini-Check — Pyramide
Multiple Choice

Welche Strecke braucht man für die Mantelfläche der quadratischen Pyramide?

  • die Körperhöhe \(h\)
  • die Seitenhöhe \(h_s\)
  • die Seitenkante \(s\)
Lösung anzeigen
B. \(h_s\) ist die Höhe der Manteldreiecke: \(M = 2 a h_s\).
Lückentext

Für die drei Strecken der Pyramide gilt die Grössenordnung \(h <\) \(< s\).

Lösung anzeigen
\(h_s\) (Seitenhöhe).
Kurze Rechnung

Pyramide mit \(a = 6\), \(h = 4\): Berechne \(h_s\).

Lösung anzeigen
\(h_s = \sqrt{4^2 + 3^2} = 5\) — Pythagoras mit der halben Kante.
Transfer

Warum steht in \(h_s\) die halbe Kante, in der Seitenkante \(s\) aber die halbe Diagonale?

Lösungsweg anzeigen
\(h_s\) endet in der Kantenmitte — Abstand \(\tfrac{a}{2}\) vom Zentrum. \(s\) endet in der Ecke — Abstand \(\tfrac{a\sqrt{2}}{2}\) (halbe Quadratdiagonale). Beide Male Pythagoras mit \(h\), nur die Grundkathete wechselt.

Der gerade Kreiskegel

📘 Kegel — Mantellinie, Mantel, Öffnungswinkel

Der gerade Kreiskegel: Kreis-Grundfläche (Radius \(r\)), Spitze senkrecht über dem Zentrum in Höhe \(h\).

\[ V = \frac{1}{3} \pi r^2 h, \qquad m = \sqrt{r^2 + h^2}, \qquad M = \pi r m, \qquad O = \pi r (r + m) \]

Die Mantellinie \(m\) verbindet Spitze und Randpunkt. Der Öffnungswinkel \(w\) sitzt an der Spitze: \(\sin\tfrac{w}{2} = \tfrac{r}{m}\). Abgerollt wird der Mantel zum Kreissektor mit Radius \(m\) und Bogenwinkel \(\alpha = \tfrac{r}{m} \cdot 360°\).

Kegel-Labor: \(r\), \(h\) und alles daraus

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Die Mantellinie ist die Hypotenuse über \(r\) und \(h\). Der Öffnungswinkel wird \(90°\), wenn \(r = h\) (dann ist \(\tan\tfrac{w}{2} = 1\)). Flache Kegel: grosser Winkel; schlanke Kegel: kleiner Winkel.

Querschnitt durch die Kegelachse · Mantellinie violett · Öffnungswinkel an der Spitze

3.00
4.00
Mantellinie · Volumen · Mantel · Öffnungswinkel
🟢 Beispiel 2 — der 3-4-5-Kegel

Kegel mit \(r = 3\) cm, \(h = 4\) cm:

\[ m = \sqrt{9 + 16} = 5\ \text{cm}, \qquad V = \tfrac{1}{3}\pi \cdot 9 \cdot 4 = 12\pi \approx 37.70\ \text{cm}^3 \] \[ M = \pi \cdot 3 \cdot 5 = 15\pi \approx 47.12\ \text{cm}^2, \qquad w = 2\arcsin\tfrac{3}{5} \approx 73.74° \]

Abgerollter Mantel: Sektor mit Radius \(5\) und Winkel \(\alpha = \tfrac{3}{5} \cdot 360° = 216°\).

✏️ Mini-Check — Kegel
Multiple Choice

Was ist die Mantellinie \(m\) des Kegels?

  • der Umfang der Grundfläche
  • die Strecke von der Spitze zum Kreisrand
  • die Höhe
Lösung anzeigen
B. \(m = \sqrt{r^2 + h^2}\) — Hypotenuse im Achsenquerschnitt.
Lückentext

Der abgerollte Kegelmantel ist ein Kreis mit Radius \(m\).

Lösung anzeigen
sektor — Bogenwinkel \(\alpha = \tfrac{r}{m} \cdot 360°\).
Kurze Rechnung

Kegel mit \(r = 3\), \(h = 4\): Berechne \(m\) und \(M\).

Lösung anzeigen
\(m = 5\); \(M = \pi \cdot 3 \cdot 5 = 15\pi \approx 47.12\).
Transfer

Für welchen Kegel ist der Öffnungswinkel genau \(90°\)?

Lösungsweg anzeigen
\(\tfrac{w}{2} = 45°\) heisst \(\tan 45° = \tfrac{r}{h} = 1\), also \(r = h\) — der Kegel, dessen Querschnitt ein gleichschenklig-rechtwinkliges Dreieck ist.

Stümpfe — abgeschnittene spitze Körper

📘 Pyramidenstumpf und Kegelstumpf

Schneidet man einen spitzen Körper parallel zur Grundfläche, entsteht ein Stumpf mit Grundfläche \(G_1\) (unten) und Deckfläche \(G_2\) (oben):

KörperVolumenMantel
Pyramidenstumpf\(V = \dfrac{h}{3}\left(G_1 + \sqrt{G_1 G_2} + G_2\right)\)Trapeze, je Seite einzeln
Kegelstumpf\(V = \dfrac{\pi h}{3}\left(R^2 + R r + r^2\right)\)\(M = \pi (R + r)\, m\), \(\ m = \sqrt{h^2 + (R - r)^2}\)

(\(R\) = unterer, \(r\) = oberer Radius.) Alternativ immer möglich: grosser spitzer Körper minus kleiner — dazu braucht es die Ähnlichkeit.

📘 Ähnlichkeit im Raum

Wird ein Körper mit dem Faktor \(k\) gestreckt, skalieren:

\[ \text{Längen} \sim k, \qquad \text{Flächen} \sim k^2, \qquad \text{Volumen} \sim k^3 \]

Beim Parallelschnitt eines Kegels in halber Höhe ist der obere Restkegel eine \(k = \tfrac{1}{2}\)-Kopie: Er hat nur \(\left(\tfrac{1}{2}\right)^3 = \tfrac{1}{8}\) des Volumens — der Stumpf trägt \(\tfrac{7}{8}\)!

🟢 Beispiel 3 — Stumpf über die Ähnlichkeit

Ein Kegel (\(r = 6\), \(h = 12\)) wird in halber Höhe geköpft.

\[ V_{\text{ganz}} = \tfrac{1}{3}\pi \cdot 36 \cdot 12 = 144\pi \approx 452.39 \]

Der obere Kegel ist ähnlich mit \(k = \tfrac{1}{2}\): \(V_{\text{klein}} = \tfrac{144\pi}{8} = 18\pi \approx 56.55\). Stumpf:

\[ V_{\text{Stumpf}} = 144\pi - 18\pi = 126\pi \approx 395.84 \qquad \left(= \tfrac{7}{8}\ \text{des Ganzen}\right) \]

Kontrolle mit der Stumpfformel (\(R = 6\), \(r = 3\), \(h = 6\)): \(\tfrac{6\pi}{3}(36 + 18 + 9) = 126\pi\) ✓

⚠ Häufiger Fehler — halbe Höhe heisst nicht halbes Volumen

Der obere Kegel bei halber Höhe hat ein Achtel des Volumens, nicht die Hälfte — Volumen skaliert mit \(k^3\). Wer «halbe Höhe → halbes Volumen» rechnet, unterschätzt den Stumpf massiv.

Ähnlichkeit: Längen, Flächen, Volumen

💡 Erkenntnis
Erkenntnis
Bei einer \(k\)-Kopie skalieren Längen mit \(k\), Flächen mit \(k^2\) und das Volumen mit \(k^3\). Bei halber Höhe (\(k = \tfrac12\)) hat der kleine Kegel nur \(\tfrac18\) des Volumens — der Stumpf trägt \(\tfrac78\).

Köpfe den Kegel in der Höhe \(k\) (von der Spitze) — der kleine obere Kegel ist eine \(k\)-Kopie:

Höhenanteil vs. Volumenanteil
Höhenanteil k = 50% → Volumenanteil k³ = 12.5%
Der schattierte obere Kegel ist eine \(k\)-Kopie: Höhe und Radius \(\times k\), Volumen aber nur \(\times k^3\).
✏️ Mini-Check — Stümpfe und Ähnlichkeit
Multiple Choice

Ein Körper wird mit \(k = 3\) vergrössert. Was passiert mit dem Volumen?

  • ×3
  • ×9
  • ×27
Lösung anzeigen
C. \(V \sim k^3 = 27\) — Flächen dagegen ×9.
Lückentext

Ein Stumpf entsteht durch einen Schnitt zur Grundfläche.

Lösung anzeigen
parallel.
Kurze Rechnung

Pyramidenstumpf mit \(G_1 = 64\), \(G_2 = 16\), \(h = 6\): Berechne \(V\).

Lösung anzeigen
\(V = \tfrac{6}{3}(64 + \sqrt{1024} + 16) = 2 \cdot 112 = 224\).
Transfer

Ein Kegel wird bei einem Drittel der Höhe (von der Spitze aus) geschnitten. Welchen Volumenanteil hat der kleine Kegel?

Lösungsweg anzeigen
\(k = \tfrac{1}{3}\) → \(V \sim \tfrac{1}{27}\) — knapp 4 % des Ganzen; der Stumpf trägt \(\tfrac{26}{27}\).

Rückwärts rechnen — vom Mantel zum Körper

💡 Strategie — der abgerollte Mantel als Bindeglied

Viele Aufgaben geben den Sektor (Radius \(m\), Winkel \(\alpha\)) und fragen nach dem Kegel — oder umgekehrt. Schlüsselgleichung: Der Sektorbogen ist der Grundkreisumfang:

\[ 2\pi m \cdot \frac{\alpha}{360°} = 2\pi r \quad\Longrightarrow\quad r = m \cdot \frac{\alpha}{360°} \]

Danach liefert Pythagoras die Höhe: \(h = \sqrt{m^2 - r^2}\).

🟢 Beispiel 4 — Kegel aus dem Sektor

Aus einem Kreissektor (Radius \(10\) cm, Winkel \(216°\)) wird ein Kegelmantel gerollt.

\[ r = 10 \cdot \tfrac{216}{360} = 6\ \text{cm}, \qquad h = \sqrt{100 - 36} = 8\ \text{cm} \] \[ V = \tfrac{1}{3}\pi \cdot 36 \cdot 8 = 96\pi \approx 301.59\ \text{cm}^3 \]
✏️ Mini-Check — Sektor und Kegel
Multiple Choice

Was wird beim Aufrollen des Sektors zum Grundkreisumfang?

  • der Sektorradius
  • der Sektorbogen
  • der Sektorwinkel
Lösung anzeigen
B. Bogen \(= 2\pi r\) — daraus folgt \(r = m \cdot \alpha / 360°\).
Lückentext

Der Sektorradius wird beim Kegel zur .

Lösung anzeigen
Mantellinie \(m\).
Kurze Rechnung

Sektor mit \(m = 10\), \(\alpha = 180°\): Welcher Kegelradius entsteht?

Lösung anzeigen
\(r = 10 \cdot \tfrac{180}{360} = 5\) cm — der Halbkreis gibt den Kegel mit \(r = \tfrac{m}{2}\).
Transfer

Kann ein Sektor mit \(\alpha = 360°\) einen Kegel bilden?

Lösungsweg anzeigen
Nein — dann wäre \(r = m\) und \(h = \sqrt{m^2 - m^2} = 0\): Der «Kegel» bleibt eine flache Kreisscheibe. Je kleiner \(\alpha\), desto spitzer der Kegel.

Aufgaben

🟠 A1Element erkennen

Wähle eine Beschreibung — welches Körperelement ist gemeint?

Beschreibung

Welches Element ist das?

🟠 A2Cheops nachgerechnet

Die Cheops-Pyramide: quadratische Grundfläche \(a = 230\) m, Höhe \(h = 146.6\) m.

  1. Berechne das Volumen in Mio. m³ (zwei Dezimalen).
  2. Berechne die Seitenhöhe \(h_s\) und die Mantelfläche.
  3. Ein Baustein misst im Schnitt \(1\ \text{m}^3\). Wie viele Lastwagen à \(10\ \text{m}^3\) wären für den Abtransport nötig?
🟢 Lösung
  1. \(V = \tfrac{1}{3} \cdot 230^2 \cdot 146.6 \approx 2585047\ \text{m}^3 \approx 2.59\) Mio. m³.
  2. \(h_s = \sqrt{146.6^2 + 115^2} \approx 186.3\) m; \(M = 2 \cdot 230 \cdot 186.3 \approx 85\,700\ \text{m}^2\).
  3. \(\approx 258\,505\) Lastwagen — gut eine Viertelmillion Fahrten.
🟠 A3Rechnen an spitzen Körpern und Stümpfen
🟠 a) Quadratische Pyramide

Pyramide mit \(a = 6\) cm, \(h = 4\) cm: Berechne \(V\) und \(O\).

🟢 Lösung
\[ V = \tfrac{1}{3} \cdot 36 \cdot 4 = 48\ \text{cm}^3; \quad h_s = 5 \Rightarrow O = 36 + 2 \cdot 6 \cdot 5 = 96\ \text{cm}^2 \]
🟠 b) Kegel

Kegel mit \(r = 3\) cm, \(h = 4\) cm: Berechne \(V\) und \(M\) (zwei Dezimalen).

🟢 Lösung
\[ m = 5;\quad V = 12\pi \approx 37.70\ \text{cm}^3;\quad M = 15\pi \approx 47.12\ \text{cm}^2 \]
🟠 c) Öffnungswinkel

Berechne den Öffnungswinkel des Kegels aus Teilaufgabe b (zwei Dezimalen).

🟢 Lösung
\[ \sin\tfrac{w}{2} = \tfrac{3}{5} \Rightarrow w = 2\arcsin(0.6) \approx 73.74° \]
🟠 d) Kegelstumpf

Kegelstumpf mit \(R = 5\), \(r = 3\), \(h = 6\) cm: Berechne \(V\) und \(M\) (zwei Dezimalen).

🟢 Lösung
\[ V = \tfrac{6\pi}{3}(25 + 15 + 9) = 98\pi \approx 307.88;\quad m = \sqrt{36 + 4} \approx 6.32;\quad M = \pi \cdot 8 \cdot 6.32 \approx 158.95 \]
🟠 e) Pyramidenstumpf

Pyramidenstumpf mit quadratischen Flächen \(G_1 = 64\ \text{cm}^2\), \(G_2 = 16\ \text{cm}^2\) und \(h = 6\) cm: Berechne \(V\).

🟢 Lösung
\[ V = \tfrac{6}{3}\left(64 + \sqrt{64 \cdot 16} + 16\right) = 2(64 + 32 + 16) = 224\ \text{cm}^3 \]
🟠 A4Kirchturmdach

Ein kegelförmiges Turmdach hat den Radius \(4\) m und die Höhe \(6\) m.

  1. Berechne die Mantellinie und die Mantelfläche (zwei Dezimalen).
  2. Für die Kupferdeckung rechnet man \(10\ \%\) Verschnitt. Wie viel Blech wird bestellt?
🟢 Lösung
  1. \(m = \sqrt{16 + 36} \approx 7.21\) m; \(M = \pi \cdot 4 \cdot 7.21 \approx 90.62\ \text{m}^2\).
  2. \(90.62 \cdot 1.1 \approx 99.68\ \text{m}^2\) — rund \(100\ \text{m}^2\) bestellen.
🟠 A5Kieshaufen

Geschütteter Kies bildet einen Kegel mit Schüttwinkel \(30°\) (Neigung der Mantellinie gegen den Boden). Der Haufen hat den Durchmesser \(8\) m.

  1. Berechne die Höhe des Haufens (zwei Dezimalen).
  2. Berechne das Kiesvolumen (zwei Dezimalen).
🟢 Lösung
  1. \(r = 4\) m; \(h = r \tan 30° \approx 2.31\) m.
  2. \(V = \tfrac{1}{3}\pi \cdot 16 \cdot 2.31 \approx 38.69\ \text{m}^3\).
🟠 A6Geköpfter Kegel — mit Ähnlichkeit

Ein Kegel (\(r = 6\) cm, \(h = 12\) cm) wird in halber Höhe parallel zur Grundfläche geschnitten.

  1. Berechne das Volumen des ganzen Kegels (zwei Dezimalen).
  2. Bestimme das Stumpf-Volumen über die Ähnlichkeit (\(k = \tfrac{1}{2}\)) — ohne Stumpfformel.
🟢 Lösung
  1. \(V = 144\pi \approx 452.39\ \text{cm}^3\).
  2. Oberer Kegel: \(k^3 = \tfrac{1}{8}\) → \(18\pi\); Stumpf \(= \tfrac{7}{8} \cdot 144\pi = 126\pi \approx 395.84\ \text{cm}^3\).
🟠 A7Vom Sektor zum Kegel Vertiefung

Aus einem Kreissektor mit Radius \(10\) cm und Winkel \(216°\) wird ein Kegelmantel gerollt.

  1. Berechne den Radius des entstehenden Kegels.
  2. Berechne Höhe und Volumen (zwei Dezimalen).
  3. Begründe: Je kleiner der Sektorwinkel, desto spitzer der Kegel.
🟢 Lösung
  1. \(r = 10 \cdot \tfrac{216}{360} = 6\) cm (Sektorbogen = Grundkreisumfang).
  2. \(h = \sqrt{100 - 36} = 8\) cm; \(V = 96\pi \approx 301.59\ \text{cm}^3\).
  3. Kleinerer Winkel → kürzerer Bogen → kleinerer Grundkreis bei gleicher Mantellinie \(m\) → grössere Höhe \(h = \sqrt{m^2 - r^2}\): Der Kegel wird schlanker und spitzer.

Zusammenfassung

⭐ Merksatz

Spitze Körper fassen ein Drittel: \(V = \tfrac{1}{3} G h\). Für Mäntel braucht es die richtigen Strecken: Seitenhöhe \(h_s\) bei der Pyramide (\(M = 2 a h_s\)), Mantellinie \(m = \sqrt{r^2 + h^2}\) beim Kegel (\(M = \pi r m\)); der abgerollte Kegelmantel ist ein Sektor mit \(\alpha = \tfrac{r}{m} \cdot 360°\). Stümpfe: Formel oder «grosser minus kleiner Körper» — und die Ähnlichkeit skaliert Längen mit \(k\), Flächen mit \(k^2\), Volumen mit \(k^3\): Halbe Höhe heisst ein Achtel, nicht die Hälfte!

KörperVolumenMantel
Pyramide (quadratisch)\(V = \tfrac{1}{3} a^2 h\)\(M = 2 a h_s\), \(h_s = \sqrt{h^2 + (a/2)^2}\)
Kreiskegel\(V = \tfrac{1}{3} \pi r^2 h\)\(M = \pi r m\), \(m = \sqrt{r^2 + h^2}\)
Pyramidenstumpf\(V = \tfrac{h}{3}(G_1 + \sqrt{G_1 G_2} + G_2)\)Trapez-Seitenflächen
Kegelstumpf\(V = \tfrac{\pi h}{3}(R^2 + Rr + r^2)\)\(M = \pi(R+r)m\), \(m = \sqrt{h^2 + (R-r)^2}\)
Ähnlichkeit (\(k\))\(V \sim k^3\)Flächen \(\sim k^2\), Längen \(\sim k\)

Clips

Clips zu den Animationen — was jede Animation zeigt

Anim
Anim
Anim
Transkripte — der gesprochene Text zum Mitlesen

Füll-Experiment: dreimal die Pyramide, einmal das Prisma

  1. 0:00Eine Pyramide und ein Prisma haben dieselbe Grundfläche G und dieselbe Höhe h. Das Prisma fasst G mal h. Wie oft muss man die Pyramide ausgiessen, bis das Prisma voll ist?
  2. 0:11Eine Füllung: Das Prisma ist bis zur ersten gestrichelten Marke gefüllt, also zu einem Drittel. Das Bild zeigt nur den Querschnitt, verglichen wird aber das Volumen.
  3. 0:21Zwei Füllungen: zwei Drittel. Jede Füllung hebt den Stand um dasselbe Stück, bis zur nächsten Marke, denn das Prisma hat auf jeder Höhe denselben Querschnitt.
  4. 0:31Drei Füllungen: Das Prisma ist voll. Drei Pyramiden haben also zusammen das Volumen G mal h, eine Pyramide ein Drittel davon.
  5. 0:40Merke: Drei Pyramidenfüllungen füllen das Prisma mit gleicher Grundfläche und Höhe. Darum ist V gleich ein Drittel G mal h. Das gilt für jeden spitzen Körper, beim Kegel mit G gleich pi r Quadrat.

Kegel-Labor: flach, schlank und der 90°-Kegel

  1. 0:00Im Kegel-Labor stellst du den Radius r und die Höhe h ein. Im Achsenquerschnitt siehst du die Mantellinie m und den Öffnungswinkel w an der Spitze. Wie hängen sie von r und h ab?
  2. 0:11Flach und breit: r gleich sechs, h gleich zwei. Die Mantellinie ist die Hypotenuse, rund sechs Komma drei zwei. Der Öffnungswinkel ist mit rund hundertdreiundvierzig Grad sehr gross.
  3. 0:24Hoch und schmal: r gleich eins Komma fünf, h gleich sieben. Die Mantellinie misst rund sieben Komma eins sechs, der Öffnungswinkel nur noch rund vierundzwanzig Grad.
  4. 0:34Jetzt r gleich h gleich vier. Dann ist tangens von w halbe gleich eins, also w halbe gleich fünfundvierzig Grad und w gleich neunzig Grad.
  5. 0:43Merke: Die Mantellinie ist die Hypotenuse über r und h. Den Öffnungswinkel bestimmt das Verhältnis r zu h. Bei r gleich h ist er neunzig Grad, flache Kegel haben einen grossen, schlanke einen kleinen Winkel.

Kegel köpfen: halbe Höhe, ein Achtel Volumen

  1. 0:00Der Kegel wird parallel zur Grundfläche geköpft. Der kleine obere Kegel ist eine k-Kopie des ganzen: Höhe und Radius sind mal k. Hat er bei halber Höhe auch das halbe Volumen?
  2. 0:11k gleich null Komma fünf: Der Höhenbalken steht bei fünfzig Prozent, der Flächenbalken bei fünfundzwanzig, der Volumenbalken nur bei zwölf Komma fünf Prozent. Das ist ein Achtel, der Stumpf trägt sieben Achtel.
  3. 0:24k gleich null Komma acht: Der kleine Kegel hat achtzig Prozent der Höhe, aber nur einundfünfzig Komma zwei Prozent des Volumens, gut die Hälfte. Das Volumen schrumpft viel schneller als die Höhe.
  4. 0:35Merke: Bei einer k-Kopie werden Längen mit k, Flächen mit k Quadrat und das Volumen mit k hoch drei multipliziert. Bei halber Höhe hat der obere Kegel ein Achtel, der Stumpf sieben Achtel des Volumens.

Körper: Pyramide und Kegel — der Faktor ein Drittel

  1. 0:00Bei Pyramide und Kegel läuft die Grundfläche nach oben auf einen Punkt zusammen. Das Volumen ist darum nicht das ganze, sondern genau ein Drittel.
  2. 0:09Der Vergleich macht es greifbar: Ein Kegel mit Radius drei und Höhe zehn fasst rund vierundneunzig Kubikzentimeter, der Zylinder mit denselben Massen rund zweihundertdreiundachtzig. Genau dreimal so viel.
  3. 0:21Die Formel gilt für beide: Bei der Pyramide ist die Grundfläche ein Vieleck, beim Kegel ein Kreis. Die Höhe steht in beiden Fällen senkrecht auf der Grundfläche.
  4. 0:31Und genau dort passiert der häufigste Fehler: Die Mantellinie s ist länger als die Höhe h. Zwischen beiden vermittelt der Satz des Pythagoras mit dem Radius.
  5. 0:40Zum Mitnehmen: Läuft der Körper auf eine Spitze zu, kommt der Faktor ein Drittel dazu. Und im Volumen steht die Höhe, im Mantel die Mantellinie.

Zusatzmaterial

Materialien zum Mitnehmen, Üben und Wiederholen. Druckseiten öffnen in neuem Tab.

Externe Videos & Aufgabensammlungen

🎬 Erklärvideos (Playlists)
📝 Aufgabensammlungen