Die Oberfläche der Kugel

The Surface Area of the Sphere

Mathematik Klasse 10 17 Aufgaben
GeometrieRaumgeometrieKugelOberflächeVolumen

Die Kugel lässt sich nicht abwickeln. Ihre Oberfläche O = 4 · π · r² wird plausibel, wenn man die Kugel in viele kleine Pyramiden mit der Spitze im Mittelpunkt zerlegt (V = ⅓ · O · r) oder erkennt, dass sie genauso groß ist wie vier Großkreise, der Mantel des umschriebenen Zylinders. Die Halbkugel hat außen 2πr², mit ebenem Deckel 3πr². Räumt die Verwechslung von r² und r³, das Einsetzen des Durchmessers und das Vergessen des Deckels aus. Bereitet zusammengesetzte Körper und Maßstabsfaktoren vor.

Kleine Pyramiden

Die Kugel lässt sich nicht abwickeln. Wir helfen uns mit einem Trick: Zerlege die Oberfläche in viele winzige, fast ebene Stücke und verbinde jedes mit dem Mittelpunkt. So entstehen lauter kleine Pyramiden mit der Spitze im Mittelpunkt, alle ungefähr r hoch. Jede hat das Volumen ⅓ · G · r, alle zusammen füllen die Kugel:

Beispiel r = 6 cm: O = 4 · π · 36 = 144π ≈ 452,4 cm². Der Radius geht quadriert ein, denn eine Oberfläche misst zwei Längen.

Die Kugel im Schnitt, zerlegt in kleine Pyramiden mit der Spitze im Mittelpunkt M und der Höhe r: V = ⅓ · O · rrGiMJede kleine Pyramide:Vi = ⅓ · Gi · rAlle zusammen:V = ⅓ · (G₁ + G₂ + …) · rV = ⅓ · O · r
Im Schnitt: Die Kugel besteht aus Keilen, deren Grundflächen zusammen die Oberfläche bilden.

Vier Großkreise

Ein Schnitt durch den Mittelpunkt heißt Großkreis: Sein Radius ist r, seine Fläche πr². Die Kugeloberfläche ist genau viermal so groß: . Archimedes sah das so: Legt man einen Zylinder mit Radius r und Höhe 2r um die Kugel, hat sein Mantel genau die Größe der Kugeloberfläche.

Die Halbkugel hat gewölbt die halbe Oberfläche, 2πr². Ist sie massiv, kommt der ebene Kreis πr² dazu: 3πr². Für r = 6 cm sind das 72π ≈ 226,2 cm² und mit Deckel 108π ≈ 339,3 cm². Eine offene Schale hat keinen Deckel.

Verändere r. Welche zwei Werte sind immer gleich, und wie oft passt in sie?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Eine Kugel hat den Radius 5 cm. Welcher ebene Schnitt hat die größte Schnittfläche?

  • ● Schnitt durch den Mittelpunkt (Radius 5 cm)
  • ○ Schnitt im Abstand 3 cm vom Mittelpunkt (Radius 4 cm)
  • ○ Schnitt im Abstand 4 cm vom Mittelpunkt (Radius 3 cm)
Der Schnitt durch den Mittelpunkt heißt Großkreis und hat den Kugelradius r = 5 cm, Fläche 25π. Je weiter die Ebene vom Mittelpunkt entfernt ist, desto kleiner wird der Schnittkreis: Abstand 3 cm gibt Radius 4 cm, Abstand 4 cm gibt Radius 3 cm.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Eine Ebene im Abstand 3 cm vom Mittelpunkt schneidet aus der Kugel (r = 5 cm) einen Großkreis.

✓ Falsch
Ein Großkreis entsteht nur bei einem Schnitt durch den Mittelpunkt. Im Abstand 3 cm ist der Schnittkreis kleiner: ρ² = 25 − 9 = 16, also ρ = 4 cm statt 5 cm.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Wie groß ist die Oberfläche dieser Kugel?

  • ● 452,4 cm²
  • ○ 904,8 cm²
  • ○ 226,2 cm²
O = 4 · π · r² = 4 · π · 36 = 144π ≈ 452,4 cm². 904,8 ist der Zahlenwert des Volumens (in cm³, nicht cm²), 226,2 cm² wären nur zwei Großkreise (2πr²).
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

Eine Kugel mit dem Durchmesser 10 cm hat die Oberfläche 4 · π · 5² ≈ 314,2 cm².

✓ Wahr
In die Formel gehört der Radius r = 5 cm, nicht der Durchmesser 10 cm: O = 4 · π · 25 ≈ 314,2 cm². Mit d = 10 statt r = 5 käme 1256,6 cm² heraus, das Vierfache.
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Eine massive Halbkugel hat den Radius 6 cm. Wie groß ist ihre gesamte Oberfläche?

  • ● 339,3 cm²
  • ○ 226,2 cm²
  • ○ 452,4 cm²
Die gewölbte Fläche ist die halbe Kugeloberfläche, 2πr² = 72π. Dazu kommt der ebene Kreis πr² = 36π: zusammen 3πr² = 108π ≈ 339,3 cm². 226,2 cm² vergisst den Deckel, 452,4 cm² ist die ganze Kugel.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Die Außenfläche der offenen Halbkugelschale mit r = 10 cm beträgt 3 · π · 100 ≈ 942,5 cm².

✓ Falsch
Bei der offenen Schale gibt es keinen ebenen Deckel. Die Außenfläche ist nur die gewölbte Fläche: 2 · π · 100 ≈ 628,3 cm².
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Die Oberfläche einer Kugel mit r = 6 cm wird in viele winzige, fast ebene Stßcke zerlegt, jedes wird mit dem Mittelpunkt verbunden. Wie hoch sind diese kleinen Pyramiden ungefähr?

  • ● 6 cm
  • ○ 12 cm
  • ○ 3 cm
Die Spitze liegt im Mittelpunkt, die Grundfläche fast auf der Kugeloberfläche: Die Höhe ist der Abstand Mittelpunkt–Oberfläche, also r = 6 cm. 12 cm ist der Durchmesser, 3 cm der halbe Radius.
Wahr / Falsch #8 15s ▶ Testen

Eine Kugel mit r = 6 cm hat die Oberfläche 144π cm². Dann ist ⅓ · 144π · 6 ihr Volumen.

✓ Wahr
Alle kleinen Pyramiden haben zusammen das Volumen V = ⅓ · (G₁ + G₂ + …) · r = ⅓ · O · r. Mit O = 144π und r = 6 ist das 288π, und das ist tatsächlich ⁴⁄₃ · π · 6³.
Mittel
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Eine Kugel hat den Radius 7 cm. Wie groß ist die Fläche eines Großkreises (in cm², auf 0,1 genau)?

✓ Antwort: 153.9
Der Großkreis hat den Radius r = 7 cm: A = π · r² = π · 49 ≈ 153,9 cm².
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Berechne die Oberfläche einer Kugel mit dem Radius 4 cm (in cm², auf 0,1 genau).

✓ Antwort: 201.1
O = 4 · π · r² = 4 · π · 16 = 64π ≈ 201,1 cm².
Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Wie groß ist die gewölbte Fläche einer Halbkugel mit dem Radius 5 cm (in cm², auf 0,1 genau)?

✓ Antwort: 157.1
Die halbe Kugeloberfläche: 2 · π · r² = 2 · π · 25 ≈ 157,1 cm².
Zahleneingabe #4 35s ▶ Testen

Eine Kugel hat die Oberfläche 144π cm² und den Radius 6 cm. Berechne mit V = ⅓ · O · r ihr Volumen (in cm³, auf 0,1 genau).

✓ Antwort: 904.8
V = ⅓ · 144π · 6 = 288π ≈ 904,8 cm³.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Ein Großkreis einer Kugel hat die Fläche 30 cm². Wie groß ist die Kugeloberfläche (in cm²)?

✓ Antwort: 120
Die Kugeloberfläche ist so groß wie vier Großkreise: O = 4 · 30 cm² = 120 cm².
Zahleneingabe #2 50s ▶ Testen

Ein kugelförmiger Fußball hat den Durchmesser 22 cm. Wie viel cm² Leder decken seine Oberfläche (auf ganze cm² genau)?

✓ Antwort: 1521
Radius r = 11 cm. O = 4 · π · 121 = 484π ≈ 1520,5 cm², also etwa 1521 cm².
Zahleneingabe #3 40s ▶ Testen

Eine halbkugelförmige Kuppel mit dem Radius 8 m wird außen gestrichen (ohne Boden). Wie viele m² sind das (auf 0,1 m² genau)?

✓ Antwort: 402.1
Nur die gewölbte Fläche zählt: 2 · π · 8² = 128π ≈ 402,1 m².
Zahleneingabe #4 45s ▶ Testen

Eine Kugel mit r = 9 cm hat das Volumen 972π cm³. Bestimme ihre Oberfläche aus V = ⅓ · O · r (in cm², auf 0,1 genau).

✓ Antwort: 1017.9
O = 3V : r = 3 · 972π : 9 = 324π ≈ 1017,9 cm². Zur Probe: 4π · 81 = 324π.
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Zerlege eine Kugel mit dem Radius r = 9 cm in viele kleine Pyramiden mit der Spitze im Mittelpunkt. Skizziere das, leite aus V = ⅓ · O · r die Oberfläche her und berechne sie. Prüfe dein Ergebnis mit der Regel O = 4 · Großkreis. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Skizze: Kugel im Schnitt, in Keile zerlegt, Höhe ≈ r. V = ⅓ · O · r mit V = ⁴⁄₃ · π · 729 = 972π ergibt O = 3V : r = 3 · 972π : 9 = 324π ≈ 1017,9 cm². Kontrolle: Großkreis π · 81, viermal ergibt 324π.
O = 3V : r = 324π ≈ 1017,9 cm²; Kontrolle: 4 · π · 9² = 324π.