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Prismen und Zylinder

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43802710
Ein gerades und ein schiefes Dreiecksprisma haben denselben Grundflächeninhalt \(G=36\,\text{cm}^2\) und dieselbe Körperhöhe \(h=14\,\text{cm}\). Die Seitenkanten des schiefen Prismas sind \(17\,\text{cm}\) lang. Berechne das Volumen des schiefen Prismas und nenne die Angabe, die dafür nicht benötigt wird.

Denkanstöße

- Vergleiche den schiefen Körper mit einem geraden Prisma gleicher Grundfläche und Körperhöhe. - Welche Querschnittsflächen entstehen in jeweils gleicher Höhe? - Prüfe, welche Länge tatsächlich senkrecht zwischen den Grundflächen gemessen wird.

Lösung

1. In jeder Höhe haben beide Prismen gleich große Querschnitte. Daher besitzen sie dasselbe Volumen. 2. Es gilt \(V=Gh=36\,\text{cm}^2\cdot14\,\text{cm}=504\,\text{cm}^3\). Die Länge der Seitenkanten wird nicht benötigt.

Antwort

Das Volumen beträgt \(504\,\text{cm}^3\). Die Seitenkantenlänge \(17\,\text{cm}\) ist nicht erforderlich.
43805310
Ein schiefer prismenförmiger Vorratsbehälter hat eine Stirnfläche von \(G=1{,}8\,\text{m}^2\) und die Körperhöhe \(h=6\,\text{m}\). Berechne sein Fassungsvermögen.

Denkanstöße

- Welche Größe ist als Flächeninhalt der Stirnfläche gegeben? - Welche Länge ist die Körperhöhe des Prismas? - Prüfe die Einheit des Fassungsvermögens.

Lösung

1. Für das Prisma gilt \(V=Gh\). Entscheidend ist die Körperhöhe, also der senkrechte Abstand der parallelen Stirnflächen. 2. Damit ist \(V=1{,}8\,\text{m}^2\cdot6\,\text{m}=10{,}8\,\text{m}^3\).

Antwort

Das Fassungsvermögen beträgt \(10{,}8\,\text{m}^3\).
55166010
Die Abbildung zeigt einen Zylinder. Berechne sein Volumen. Gib das Ergebnis exakt in Abhängigkeit von \(\pi\) an.
Abbildung zur Aufgabe 551660

Denkanstöße

- Lies Radius und senkrechte Höhe aus der Abbildung ab. - Welche Volumenformel gehört zum Zylinder? - Achte darauf, dass ein Volumen in Kubikeinheiten angegeben wird.

Lösung

1. Für einen Zylinder gilt \(V=\pi r^2h\). 2. Mit \(r=2\,\text{cm}\) und \(h=5\,\text{cm}\) ergibt sich \(V=\pi\cdot 2^2\cdot 5=20\pi\,\text{cm}^3\).

Antwort

\(20\pi\,\text{cm}^3\)
55166110
Ein gerades Prisma hat den Grundflächenumfang \(U_G=14\,\text{cm}\) und die Körperhöhe \(h=6\,\text{cm}\). Bestimme nur die Mantelfläche.

Denkanstöße

- Stelle dir den abgewickelten Mantel des Prismas als Rechteck vor. - Welche beiden Längen bestimmen dieses Rechteck? - Gesucht ist nur die Mantelfläche, nicht die gesamte Oberfläche.

Lösung

1. Beim geraden Prisma gilt für die Mantelfläche \(M=U_Gh\). 2. Daher ist \(M=14\cdot 6=84\,\text{cm}^2\).

Antwort

\(84\,\text{cm}^2\)
55679110
Die Abbildung zeigt a) ein gerades quaderförmiges Prisma und b) einen Zylinder. a) Welche angegebene Länge ist bei beiden Körpern die Körperhöhe \(h\)? b) Welche Form hat jeweils die Grundfläche, und wie groß ist ihr Flächeninhalt \(G\)?
Abbildung zur Aufgabe 556791

Denkanstöße

- Welche Maßangabe steht senkrecht auf der jeweiligen Grundfläche? - Welche ebene Figur bildet beim Prisma die Grundfläche? - Welche Kreisgröße ist beim Zylinder angegeben?

Lösung

1. Bei beiden Körpern ist die senkrechte Ausdehnung von \(8\,\text{cm}\) die Körperhöhe \(h\). 2. Beim Prisma ist die Grundfläche ein Rechteck mit \(5\,\text{cm}\) und \(3\,\text{cm}\). Daher ist \(G=5\cdot3=15\,\text{cm}^2\). 3. Beim Zylinder ist die Grundfläche ein Kreis mit \(r=2\,\text{cm}\). Daher ist \(G=\pi r^2=4\pi\,\text{cm}^2\).

Antwort

a) Bei beiden Körpern ist \(h=8\,\text{cm}\). b) Prisma: Rechteck, \(G=15\,\text{cm}^2\). Zylinder: Kreis, \(G=4\pi\,\text{cm}^2\).
55679310
Das Rechteck \(ABCD\) in der Abbildung wird vollständig um die Seite \(AD\) gedreht. a) Welcher Rotationskörper entsteht? b) Gib Radius \(r\) und Körperhöhe \(h\) des entstehenden Körpers an.
Abbildung zur Aufgabe 556793

Denkanstöße

- Welche Seite bleibt bei der Drehung fest? - Welche Länge beschreibt den Abstand von der Drehachse? - Welche bekannte Körperform entsteht durch die vollständige Drehung eines Rechtecks um eine Seite?

Lösung

1. Beim Drehen eines Rechtecks um eine seiner Seiten entsteht ein gerader Kreiszylinder. 2. Die Drehachse \(AD\) wird zur Körperhöhe, also \(h=7\,\text{cm}\). 3. Der Abstand der gegenüberliegenden Seite von der Achse ist \(AB=3\,\text{cm}\). Daher ist \(r=3\,\text{cm}\).

Antwort

a) Ein gerader Kreiszylinder. b) \(r=3\,\text{cm}\), \(h=7\,\text{cm}\)
42312110
Ein zylindrisches Gefäß hat einen Innendurchmesser von \(12\,\text{cm}\) und eine Gesamthöhe von \(30\,\text{cm}\). In das Gefäß wird schrittweise Wasser gegossen. a) Stelle die Funktionsgleichung einer Funktion \(V\) auf, die der Füllhöhe \(h\) (in \(\text{cm}\)) das entsprechende Wasservolumen \(V(h)\) (in \(\text{cm}^3\)) zuordnet. b) Gib die Definitionsmenge \(D\) und die Wertemenge \(W\) dieser Funktion an. Runde die Werte in der Wertemenge auf zwei Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Wie berechnet man den Radius, wenn der Durchmesser gegeben ist? - Welche Formel wird zur Berechnung des Volumens eines Zylinders benötigt? - Überlege dir, welche Werte die Füllhöhe in der Realität annehmen kann (von leer bis voll). - Wie hängen der kleinste und größte mögliche Funktionswert mit der Höhe des Gefäßes zusammen?

Lösung

1. Berechnung des Radius: Da der Durchmesser \(d = 12\,\text{cm}\) beträgt, ist der Radius \(r = 6\,\text{cm}\). 2. Berechnung der Grundfläche \(G\): \(G = \pi r^2 = \pi \cdot (6\,\text{cm})^2 = 36 \cdot \pi\,\text{cm}^2 \approx 113{,}10\,\text{cm}^2\). 3. Aufstellen der Funktionsgleichung: Das Volumen eines Zylinders berechnet sich durch \(V = G \cdot h\). Somit gilt \(V(h) = 36\pi h\). 4. Bestimmung der Definitionsmenge: Die Füllhöhe \(h\) kann Werte von \(0\,\text{cm}\) (leer) bis zur Gesamthöhe von \(30\,\text{cm}\) (voll) annehmen. Somit ist \(D = [0; 30]\,\text{cm}\). 5. Bestimmung der Wertemenge: Das minimale Volumen ist \(V(0) = 0\,\text{cm}^3\). Das maximale Volumen ist \(V(30) = 36 \cdot \pi \cdot 30 = 1080\pi \approx 3392{,}92\,\text{cm}^3\). Somit ist \(W = [0; 3392{,}92]\,\text{cm}^3\).

Antwort

a) \(V(h) = 36\pi h\) (oder näherungsweise \(V(h) \approx 113{,}10h\)) b) \(D = [0; 30]\,\text{cm}\); \(W = [0; 3392{,}92]\,\text{cm}^3\)
43602010
Ein Deichabschnitt ist \(100\,\text{m}\) lang. Sein trapezförmiger Querschnitt ist in der Abbildung dargestellt. Berechne das Volumen an Erde, das für diesen Deichabschnitt benötigt wurde.
Abbildung zur Aufgabe 436020

Denkanstöße

- Welcher bekannte Flächeninhalt passt zum dargestellten Querschnitt? - Welche drei Maße aus der Abbildung brauchst du für die Querschnittsfläche? - Wie hängt das Volumen eines Prismas von Querschnittsfläche und Körperhöhe ab?

Lösung

1. Für den trapezförmigen Querschnitt gilt \(G=\frac{18+4}{2}\cdot 5\,\text{m}^2=55\,\text{m}^2\). 2. Der Deichabschnitt ist ein Prisma mit der Körperhöhe \(h=100\,\text{m}\). Daher gilt \(V=G\cdot h=55\,\text{m}^2\cdot 100\,\text{m}=5500\,\text{m}^3\).

Antwort

Für den Deichabschnitt werden \(5500\,\text{m}^3\) Erde benötigt.
43606510
Die Abbildung zeigt einen massiven Metallzylinder. Entnimm Radius und Höhe der Abbildung und berechne den gesamten Oberflächeninhalt des Zylinders. Runde auf eine Dezimalstelle.
Abbildung zur Aufgabe 436065

Denkanstöße

- Welche beiden Maße des Zylinders kannst du der Abbildung entnehmen? - Aus welchen Teilflächen setzt sich die gesamte Außenhaut eines Zylinders zusammen? - Wie hängen der Umfang der Grundfläche und die Höhe mit der Mantelfläche zusammen?

Lösung

1. Aus der Abbildung liest man \(r=4\,\text{cm}\) und \(h=10\,\text{cm}\) ab. 2. Die gesamte Oberfläche besteht aus zwei Kreisflächen und der Mantelfläche: \(O=2\pi r^2+2\pi rh\). 3. Einsetzen ergibt \(O=2\pi\cdot 4^2+2\pi\cdot 4\cdot 10\,\text{cm}^2=112\pi\,\text{cm}^2\approx 351{,}858\,\text{cm}^2\). 4. Gerundet ist \(O\approx 351{,}9\,\text{cm}^2\).

Antwort

Der Oberflächeninhalt des Zylinders beträgt ca. \(351{,}9\,\text{cm}^2\).
43610010
Ein Briefbeschwerer aus Glas hat die Form eines \(12\,\text{cm}\) langen Prismas mit einer rechtwinkligen Dreiecksfläche als Grundfläche. Die Kathetenlängen sind in der Abbildung angegeben. Berechne die Mantelfläche des Briefbeschwerers.
Abbildung zur Aufgabe 436100

Denkanstöße

- Welche Seitenlängen der Dreiecksgrundfläche kennst du schon, und welche fehlt noch? - Für die Mantelfläche brauchst du den gesamten Umfang der Grundfläche. - Wie kannst du die fehlende Seite des rechtwinkligen Dreiecks aus den beiden Katheten bestimmen?

Lösung

1. Aus der Abbildung liest man die Kathetenlängen \(6\,\text{cm}\) und \(8\,\text{cm}\) ab. 2. Die dritte Seite der rechtwinkligen Grundfläche ist \(c=\sqrt{6^2+8^2}\,\text{cm}=10\,\text{cm}\). 3. Damit beträgt der Umfang der Grundfläche \(U_G=(6+8+10)\,\text{cm}=24\,\text{cm}\). 4. Die Mantelfläche ist \(M=U_G\cdot h=24\,\text{cm}\cdot 12\,\text{cm}=288\,\text{cm}^2\).

Antwort

Die Mantelfläche des Briefbeschwerers beträgt \(288\,\text{cm}^2\).
43610210
Das abgebildete zylindrische Vorratsglas ist zu \(80\,\%\) mit Mehl gefüllt. Entnimm Radius und Höhe der Abbildung. Welches Volumen nimmt das Mehl im Glas ein? Gib das Ergebnis in Kubikzentimetern an und runde auf eine Dezimalstelle.
Abbildung zur Aufgabe 436102

Denkanstöße

- Welche Maße des Zylinders kannst du aus der Abbildung ablesen? - Berechne zuerst das Gesamtvolumen des Glases. - Wie bestimmst du anschließend \(80\,\%\) dieses Volumens?

Lösung

1. Aus der Abbildung liest man \(r=5\,\text{cm}\) und \(h=15\,\text{cm}\) ab. 2. Das Gesamtvolumen des Glases ist \(V_{\text{ges}}=\pi r^2h=\pi\cdot 5^2\cdot 15\,\text{cm}^3=375\pi\,\text{cm}^3\). 3. Das Mehl nimmt \(80\,\%\) davon ein: \(V_{\text{Mehl}}=0{,}80\cdot 375\pi\,\text{cm}^3=300\pi\,\text{cm}^3\approx 942{,}478\,\text{cm}^3\). 4. Gerundet ergibt sich \(V_{\text{Mehl}}\approx 942{,}5\,\text{cm}^3\).

Antwort

Das Mehl nimmt ein Volumen von \(942{,}5\,\text{cm}^3\) ein.
43802810
Ein schiefer Zylinder hat den Durchmesser \(d=12\,\text{cm}\) und die Körperhöhe \(h=15\,\text{cm}\). Seine Mantellinie ist \(18\,\text{cm}\) lang. Berechne sein Volumen in Kubikdezimetern. Runde auf zwei Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Suche einen geraden Vergleichskörper mit denselben Querschnitten. - Achte darauf, aus dem Durchmesser zuerst den Radius zu bestimmen. - Welche der beiden Längen, Körperhöhe oder Mantellinie, ist für das Volumen maßgeblich? - Kontrolliere am Ende die Umrechnung der Volumeneinheit.

Lösung

1. Der schiefe Zylinder hat in jeder Höhe dieselbe Kreisfläche wie ein gerader Zylinder mit \(r=6\,\text{cm}\) und \(h=15\,\text{cm}\). 2. Daher ist \(V=\pi r^2h=\pi\cdot(6\,\text{cm})^2\cdot15\,\text{cm}=540\pi\,\text{cm}^3=0{,}54\pi\,\text{dm}^3\approx1{,}70\,\text{dm}^3\).

Antwort

Das Volumen beträgt \(0{,}54\pi\,\text{dm}^3\approx1{,}70\,\text{dm}^3\).
55238410
Die Abbildung zeigt ein Rechteck \(ABCD\). Das Rechteck wird vollständig um die Seite \(AD\) gedreht. a) Benenne den entstehenden Rotationskörper. b) Erkläre, welche Rechteckseiten den Radius und die Körperhöhe des Körpers festlegen, und gib beide Maße an. c) Beschreibe die Bahn, die der Punkt \(B\) bei einer vollständigen Drehung durchläuft.
Abbildung zur Aufgabe 552384

Denkanstöße

- Welche Punkte des Rechtecks bleiben beim Drehen um \(AD\) an ihrem Ort? - Welche Länge liegt auf der Drehachse, und welche Länge steht von ihr ab? - Welche ebene Bahn entsteht, wenn ein Punkt mit konstantem Abstand einmal vollständig um eine Gerade rotiert?

Lösung

1. Beim Drehen um \(AD\) entsteht ein gerader Kreiszylinder. 2. Die Drehachse \(AD\) bleibt fest und bestimmt die Körperhöhe, also \(h=8\,\text{cm}\). Der Abstand der gegenüberliegenden Seite von der Achse ist \(AB=5\,\text{cm}\); daher ist \(r=5\,\text{cm}\). 3. Der Punkt \(B\) bleibt stets \(5\,\text{cm}\) von der Achse entfernt und durchläuft deshalb einen Kreis mit Radius \(5\,\text{cm}\) um \(A\).

Antwort

a) Es entsteht ein gerader Kreiszylinder. b) \(h=8\,\text{cm}\) und \(r=5\,\text{cm}\). c) \(B\) durchläuft einen Kreis mit Radius \(5\,\text{cm}\) um \(A\).
55679210
Ein gerades Prisma hat eine rechteckige Grundfläche. Eine Grundkante ist \(6\,\text{cm}\) lang, die andere Grundkante sei \(x\). Die Körperhöhe beträgt \(10\,\text{cm}\), das Volumen \(420\,\text{cm}^3\). Bestimme \(x\).

Denkanstöße

- Drücke zuerst den Grundflächeninhalt in Abhängigkeit von \(x\) aus. - Welche Volumenformel gilt für ein gerades Prisma? - Prüfe, ob deine gefundene Länge zusammen mit der Körperhöhe tatsächlich das angegebene Volumen ergibt.

Lösung

1. Der Grundflächeninhalt ist \(G=6x\,\text{cm}^2\). 2. Mit \(V=Gh\) gilt \(420=6x\cdot10\). 3. Daraus folgt \(60x=420\) und damit \(x=7\,\text{cm}\).

Antwort

\(x=7\,\text{cm}\)
55681510
Die Abbildung zeigt das Rechteck \(ABCD\). Entnimm seine Seitenlängen der Abbildung. a) Das Rechteck wird vollständig um die Seite \(AD\) gedreht. Bestimme Radius, Körperhöhe und Volumen des entstehenden Zylinders. b) Das gleiche Rechteck wird stattdessen vollständig um die Seite \(AB\) gedreht. Bestimme wieder Radius, Körperhöhe und Volumen. c) Welcher Zylinder hat das größere Volumen, und um welchen Faktor?
Abbildung zur Aufgabe 556815

Denkanstöße

- Welche Seite bleibt bei jeder Drehung als Achse fest? - Die Achsenlänge wird zur Körperhöhe; der Abstand der gegenüberliegenden Seite von der Achse wird zum Radius. - Vergleiche die beiden Volumina erst, nachdem du Radius und Körperhöhe für beide Drehachsen neu zugeordnet hast.

Lösung

1. Bei der Drehung um \(AD\) ist \(AD\) die Körperhöhe und \(AB\) der Radius: \(h_1=9\,\text{cm}\), \(r_1=4\,\text{cm}\). Daher ist \(V_1=\pi r_1^2h_1=144\pi\,\text{cm}^3\). 2. Bei der Drehung um \(AB\) ist \(h_2=4\,\text{cm}\) und \(r_2=9\,\text{cm}\). Daher ist \(V_2=324\pi\,\text{cm}^3\). 3. Es gilt \(\frac{V_2}{V_1}=\frac{324}{144}=\frac94=2{,}25\). Der zweite Zylinder hat das größere Volumen.

Antwort

a) \(r_1=4\,\text{cm}\), \(h_1=9\,\text{cm}\), \(V_1=144\pi\,\text{cm}^3\) b) \(r_2=9\,\text{cm}\), \(h_2=4\,\text{cm}\), \(V_2=324\pi\,\text{cm}^3\) c) Der zweite Zylinder; Faktor \(\frac94=2{,}25\).
42312210
Ein Prisma besitzt als Grundfläche ein rechtwinkliges Dreieck mit den Kathetenlängen \(a = 6\,\text{cm}\) und \(b = 8\,\text{cm}\). Die Körperhöhe des Prismas beträgt \(25\,\text{cm}\). Das Prisma steht auf seiner dreieckigen Grundfläche und wird mit einer Flüssigkeit gefüllt. a) Bestimme die Funktionsgleichung der Funktion \(f\), die der Füllhöhe \(x\) (in \(\text{cm}\)) das Volumen \(f(x)\) (in \(\text{cm}^3\)) zuordnet. b) Berechne die Füllhöhe \(x\), bei der sich genau \(0{,}36\,\text{Liter}\) Flüssigkeit im Prisma befinden. c) Begründe kurz, warum es sich bei \(f\) um eine lineare Funktion handelt.

Denkanstöße

- Erinnere dich an die Flächenformel für ein rechtwinkliges Dreieck. - Achte beim Rechnen auf die Einheiten: Wie viel \(\text{cm}^3\) entsprechen einem Liter? - Was bedeutet es für den Graphen oder die Formel einer Funktion, wenn sie „linear“ ist? - Überlege dir, ob sich die Querschnittsfläche des Wasserspiegels ändert, wenn das Wasser steigt.

Lösung

1. Berechnung der Grundfläche \(G\): Da es sich um ein rechtwinkliges Dreieck handelt, gilt \(G = \frac{1}{2}ab = \frac{1}{2} \cdot 6\,\text{cm} \cdot 8\,\text{cm} = 24\,\text{cm}^2\). 2. Aufstellen der Funktionsgleichung: Für ein Prisma gilt \(V = G \cdot h\). Mit der Füllhöhe \(x\) ergibt sich \(f(x) = 24x\). 3. Umrechnung des Volumens: \(0{,}36\,\text{l} = 0{,}36\,\text{dm}^3 = 360\,\text{cm}^3\). 4. Berechnung der Füllhöhe: Setze \(f(x) = 360\) und löse nach \(x\) auf: \(24x = 360 \implies x = \frac{360}{24} = 15\). Die Füllhöhe beträgt \(15\,\text{cm}\). 5. Begründung der Linearität: Da die Grundfläche \(G\) über die gesamte Höhe des Prismas konstant bleibt, ist das Volumen direkt proportional zur Füllhöhe. Die Funktionsgleichung hat die Form \(f(x) = mx\) mit der konstanten Steigung \(m = G\).

Antwort

a) \(f(x) = 24x\) b) Die Füllhöhe beträgt \(15\,\text{cm}\). c) Da die Querschnittsfläche (Grundfläche) über die gesamte Höhe konstant bleibt, wächst das Volumen proportional zur Höhe. Die Funktionsgleichung hat die Form \(f(x) = mx\).
42331110
Ein Quader hat die Kantenlängen \(a = 12\,\text{cm}\) und \(b = 9\,\text{cm}\). Die Länge seiner Raumdiagonale beträgt \(d = 17\,\text{cm}\). a) Berechne die fehlende Kantenlänge \(c\). b) Bestimme das Volumen \(V\) des Quaders.

Denkanstöße

- Wie hängen die Kanten eines Quaders mit seiner Raumdiagonale zusammen? - Kannst du eine Formel aufstellen, in der die gesuchte Kantenlänge die einzige Unbekannte ist? - Welche Grundformel wird zur Volumenberechnung eines Quaders benötigt?

Lösung

1. Zur Berechnung der Kantenlänge \(c\) wird der Satz des Pythagoras im Raum verwendet: \(d^2 = a^2 + b^2 + c^2\). Umstellen nach \(c\) ergibt \(c = \sqrt{d^2 - a^2 - b^2}\). 2. Einsetzen der Werte: \(c = \sqrt{17^2 - 12^2 - 9^2} = \sqrt{289 - 144 - 81} = \sqrt{64} = 8\,\text{cm}\). 3. Das Volumen berechnet sich über die Formel \(V = abc\). 4. Einsetzen der Werte: \(V = 12\,\text{cm} \cdot 9\,\text{cm} \cdot 8\,\text{cm} = 864\,\text{cm}^3\).

Antwort

a) \(c = 8\,\text{cm}\) b) \(V = 864\,\text{cm}^3\)
42331210
Ein Quader besitzt die Kantenlängen \(a = 16\,\text{cm}\), \(b = 8\,\text{cm}\) und \(c = 4\,\text{cm}\). Ein Würfel hat exakt dasselbe Volumen wie dieser Quader. a) Berechne die Kantenlänge \(s\) des Würfels. b) Bestimme die Längen der Raumdiagonalen beider Körper. Um wie viele Zentimeter ist die Raumdiagonale des Quaders länger als die des Würfels? Runde das Ergebnis auf zwei Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Berechne zuerst, wie viel Raum der Quader einnimmt. - Wenn du das Volumen eines Würfels kennst, wie kommst du dann auf seine Seitenlänge? - Erinnere dich an die Formel für die Raumdiagonale eines Quaders und wie sie sich für einen Würfel vereinfacht. - Achte beim Vergleichen der Längen auf die geforderte Rundung am Ende.

Lösung

1. Berechnung des Quadervolumens: \(V_Q = 16\,\text{cm} \cdot 8\,\text{cm} \cdot 4\,\text{cm} = 512\,\text{cm}^3\). 2. Da der Würfel dasselbe Volumen hat (\(V_W = s^3\)), gilt \(s = \sqrt[3]{512\,\text{cm}^3} = 8\,\text{cm}\). 3. Berechnung der Raumdiagonale des Quaders: \(d_Q = \sqrt{16^2 + 8^2 + 4^2} = \sqrt{256 + 64 + 16} = \sqrt{336} \approx 18{,}33\,\text{cm}\). 4. Berechnung der Raumdiagonale des Würfels: \(d_W = \sqrt{8^2 + 8^2 + 8^2} = \sqrt{192} \approx 13{,}86\,\text{cm}\). 5. Differenz der Längen: \(\Delta d = \sqrt{336} - \sqrt{192} \approx 18{,}3303 - 13{,}8564 \approx 4{,}47\,\text{cm}\).

Antwort

a) \(s = 8\,\text{cm}\) b) Raumdiagonale Quader: \(d_Q \approx 18{,}33\,\text{cm}\); Raumdiagonale Würfel: \(d_W \approx 13{,}86\,\text{cm}\). Die Diagonale des Quaders ist um ca. \(4{,}47\,\text{cm}\) länger.
42866110
Eine zylindrische Konservendose hat ein Volumen von \(800\,\text{cm}^3\) und einen Radius von \(4{,}5\,\text{cm}\). Berechne den Oberflächeninhalt dieser Dose. Runde dein Ergebnis auf zwei Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Welche Größe fehlt dir, um die Oberfläche direkt berechnen zu können? - Kannst du die Volumenformel nach der unbekannten Größe umstellen? - Aus welchen Teilflächen setzt sich die Oberfläche eines Zylinders zusammen? - Achte darauf, Zwischenergebnisse nicht zu stark zu runden.

Lösung

1. Mit \(V=\pi r^2h\) gilt für die Höhe \(h=\frac{800}{\pi\cdot 4{,}5^2}\,\text{cm}\approx 12{,}575\,\text{cm}\). Für die weitere Rechnung wird der ungerundete Wert verwendet. 2. Der Oberflächeninhalt ist \(O=2\pi r^2+2\pi rh\). 3. Einsetzen mit dem ungerundeten Höhenwert ergibt \(O=2\pi\cdot 4{,}5^2+2\pi\cdot 4{,}5\cdot\frac{800}{\pi\cdot 4{,}5^2}\,\text{cm}^2\approx 127{,}2345\,\text{cm}^2+355{,}5556\,\text{cm}^2\approx 482{,}7901\,\text{cm}^2\). 4. Auf zwei Dezimalstellen gerundet ist \(O\approx 482{,}79\,\text{cm}^2\).

Antwort

Der Oberflächeninhalt der Dose beträgt ca. \(482{,}79\,\text{cm}^2\).
42866210
Ein zylindrisches Wasserreservoir ist \(1{,}50\,\text{m}\) hoch. Der Durchmesser des Reservoirs entspricht genau zwei Dritteln seiner Höhe. a) Berechne das maximale Fassungsvermögen des Reservoirs in Litern. b) Bestimme die Größe der gesamten Außenfläche (Boden, Deckel und Mantelfläche) in Quadratmetern. Runde alle Ergebnisse auf zwei Dezimalstellen.

Denkanstöße

- Bestimme zuerst den Radius des Zylinders aus den Angaben im Text. - Wie hängen Kubikmeter und Liter zusammen? Erinnere dich an die Umrechnung über Dezimeter. - Welche Formeln für Volumen und Oberfläche eines Zylinders kennst du? - Überlege, welche Flächen zur „gesamten Außenfläche“ gehören.

Lösung

1. Bestimmung der Maße: Die Höhe ist \(h = 1{,}50\,\text{m}\). Der Durchmesser ist \(d = \frac{2}{3} \cdot 1{,}50\,\text{m} = 1{,}00\,\text{m}\), woraus der Radius \(r = 0{,}50\,\text{m}\) folgt. 2. Berechnung des Volumens: \(V = \pi r^2h = \pi \cdot (0{,}50\,\text{m})^2 \cdot 1{,}50\,\text{m} \approx 1{,}1781\,\text{m}^3\). 3. Umrechnung in Liter: Da \(1\,\text{m}^3 = 1000\,\text{l}\) ist, ergibt sich \(V \approx 1178{,}10\,\text{l}\). 4. Berechnung der Oberfläche: \(O = 2\pi r(r + h) = 2 \cdot \pi \cdot 0{,}50\,\text{m} \cdot (0{,}50\,\text{m} + 1{,}50\,\text{m}) = 2 \cdot \pi \cdot 0{,}50\,\text{m} \cdot 2{,}00\,\text{m} = 2\pi\,\text{m}^2 \approx 6{,}283\,\text{m}^2\).

Antwort

a) Das Fassungsvermögen beträgt ca. \(1178{,}10\,\text{l}\). b) Die gesamte Außenfläche beträgt ca. \(6{,}28\,\text{m}^2\).
42866710
Ein Metallzylinder hat ein Volumen von \(V = 850\,\text{cm}^3\) und eine Höhe von \(h = 12{,}5\,\text{cm}\). Berechne den Radius \(r\), den Flächeninhalt der Grundfläche \(G\) und den Inhalt der Mantelfläche \(M\). Runde die Ergebnisse am Ende auf eine Nachkommastelle.

Denkanstöße

- Wie hängen das Volumen, die Grundfläche und die Höhe eines Zylinders zusammen? - Welche Formel verbindet den Radius mit dem Flächeninhalt eines Kreises? - Aus welchen Bestimmungsstücken (Radius, Höhe, Umfang) setzt sich die Mantelfläche zusammen? - Achte darauf, für Folgerechnungen nicht mit den gerundeten Werten, sondern mit den genauen Werten aus dem Taschenrechner weiterzuarbeiten.

Lösung

1. Berechnung der Grundfläche über das Volumen: \(G = \frac{V}{h} = \frac{850}{12{,}5} = 68\,\text{cm}^2\). 2. Berechnung des Radius aus der Grundfläche: \(r = \sqrt{\frac{G}{\pi}} = \sqrt{\frac{68}{\pi}} \approx 4{,}6524\dots \approx 4{,}7\,\text{cm}\). 3. Berechnung der Mantelfläche mit dem exakten Radius: \(M = 2\pi rh = 2 \cdot \pi \cdot \sqrt{\frac{68}{\pi}} \cdot 12{,}5 \approx 365{,}40\dots \approx 365{,}4\,\text{cm}^2\).

Antwort

\(G = 68{,}0\,\text{cm}^2\); \(r \approx 4{,}7\,\text{cm}\); \(M \approx 365{,}4\,\text{cm}^2\)
42866810
Ein zylindrischer Behälter besitzt einen Oberflächeninhalt von \(O = 540\,\text{cm}^2\) und einen Radius von \(r = 4{,}2\,\text{cm}\). Bestimme die Höhe \(h\) des Behälters und sein Volumen \(V\). Runde die Ergebnisse am Ende auf eine Nachkommastelle.

Denkanstöße

- Aus welchen Teilflächen setzt sich die gesamte Oberfläche eines Zylinders zusammen? - Welche dieser Teilflächen kannst du direkt berechnen, wenn der Radius bekannt ist? - Wenn du die Mantelfläche kennst, wie kommst du dann zur Höhe? - Welche Größen benötigst du, um das Volumen zu berechnen?

Lösung

1. Berechnung der Grundfläche: \(G = \pi r^2 = \pi \cdot 4{,}2^2 \approx 55{,}4177\,\text{cm}^2\). 2. Bestimmung der Mantelfläche aus der Oberfläche: \(M = O - 2G = 540 - 2 \cdot \pi \cdot 4{,}2^2 \approx 429{,}1646\,\text{cm}^2\). 3. Berechnung der Höhe aus der Mantelfläche: \(h = \frac{M}{2\pi r} = \frac{429{,}1646\dots}{2 \cdot \pi \cdot 4{,}2} \approx 16{,}2628\dots \approx 16{,}3\,\text{cm}\). 4. Berechnung des Volumens: \(V = Gh = \pi \cdot 4{,}2^2 \cdot 16{,}2628\dots \approx 901{,}2457\dots \approx 901{,}2\,\text{cm}^3\).

Antwort

\(h \approx 16{,}3\,\text{cm}\); \(V \approx 901{,}2\,\text{cm}^3\)
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Ein schiefer Zylinder hat den Radius \(5\,\text{cm}\), die Körperhöhe \(12\,\text{cm}\) und eine Mantellinie von \(13\,\text{cm}\). Tim rechnet \(V=\pi\cdot5^2\cdot13\). Erkläre den Fehler, gib das richtige Volumen an und bestimme, um wie viel Tims Ergebnis zu groß ist.

Denkanstöße

- Welche der beiden Längen beschreibt den senkrechten Abstand der Grundflächen? - Welche Länge bleibt beim Vergleich mit einem geraden Zylinder für das Volumen maßgeblich? - Berechne die Abweichung erst, nachdem du das richtige Volumen bestimmt hast.

Lösung

1. Tim verwendet die schräge Mantellinie statt der Körperhöhe. Der passende gerade Vergleichszylinder hat \(h=12\,\text{cm}\). 2. Richtig ist \(V=\pi\cdot(5\,\text{cm})^2\cdot12\,\text{cm}=300\pi\,\text{cm}^3\approx942{,}48\,\text{cm}^3\). 3. Tims Ergebnis ist \(325\pi\,\text{cm}^3\). Die Abweichung beträgt \(25\pi\,\text{cm}^3\approx78{,}54\,\text{cm}^3\).

Antwort

Das richtige Volumen beträgt \(300\pi\,\text{cm}^3\approx942{,}48\,\text{cm}^3\). Tims Ergebnis ist um \(25\pi\,\text{cm}^3\approx78{,}54\,\text{cm}^3\) zu groß.
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Ein Quader hat die Grundkantenlängen \(6\,\text{cm}\) und \(8\,\text{cm}\) sowie die Körperhöhe \(12\,\text{cm}\). Bestimme den Winkel \(\alpha\), den eine Raumdiagonale mit der Grundfläche bildet. Runde auf eine Dezimalstelle.

Denkanstöße

- Welche Strecke in der Grundfläche ist die orthogonale Projektion der Raumdiagonale? - Bestimme zuerst die Länge dieser Projektion. - Welche trigonometrische Beziehung verbindet Projektion, Körperhöhe und den gesuchten Winkel?

Lösung

1. Die orthogonale Projektion der Raumdiagonale in die Grundfläche ist die Grundflächendiagonale. Ihre Länge ist \(p=\sqrt{6^2+8^2}\,\text{cm}=10\,\text{cm}\). 2. Im rechtwinkligen Dreieck aus Projektion, Körperhöhe und Raumdiagonale gilt \(\tan\alpha=\frac{12}{10}\). 3. Daher ist \(\alpha=\arctan\left(\frac{12}{10}\right)\approx50{,}2^\circ\).

Antwort

\(\alpha\approx50{,}2^\circ\)

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