Das Prinzip von Cavalieri

Cavalieri's Principle

Mathematik Klasse 10 12 Aufgaben
GeometrieRaumgeometrieVolumenPrinzip von CavalieriPrisma

Verschiebt man die Scheiben eines Stapels, bleibt sein Volumen gleich: Haben zwei gleich hohe Körper in jeder Höhe gleich große Schnittflächen, so haben sie dasselbe Volumen (Prinzip von Cavalieri). Daraus folgt V = G · h auch für schiefe Prismen, wenn h der senkrechte Abstand der Flächen ist. Räumt aus, die schräge Kante sei die Höhe und gleiche Grundfläche mit gleicher Höhe genüge. Bereitet das Pyramidenvolumen, das Kegelvolumen und die Kugel vor.

Ein Stapel Münzen ist ein Zylinder. Schiebst du die Münzen gegeneinander, wird der Stapel schief – doch es sind dieselben Münzen, und der Stapel ist gleich hoch. Sein Volumen ändert sich nicht. Das ist der Kern des Prinzips von Cavalieri: Haben zwei Körper gleicher Höhe in jeder Höhe gleich große Schnittflächen, dann haben sie dasselbe Volumen. Der Grund: Zerlegst du beide in dünne Scheiben, hat jede Scheibe dieselbe Fläche und Dicke wie ihr Gegenstück – die Summe bleibt gleich. Für die Schule ist das ein tragfähiges Argument, kein strenger Beweis.

Zwei Stapel aus je neun gleichen Münzen: links gerade, rechts schief geschoben. Beide sind gleich hoch. gerade schief gleiche Höhe
Gleiche Münzen, gleiche Höhe: Das Verschieben ändert das Volumen nicht.

Gleiche Grundfläche und gleiche Höhe genügen allein nicht: Ein Quader behält seine Schnittfläche bis oben, eine Pyramide nicht. Für ein schiefes Prisma folgt aber , wobei h der senkrechte Abstand von Grund- und Deckfläche ist und nicht die Länge der schrägen Kante k. Fehlt h, hilft ein rechtwinkliges Dreieck aus Kante und seitlicher Verschiebung s: .

Verschiebe die Scheiben mit s. Was ändert sich – die Kante k oder das Volumen V?
Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Zwei Stapel aus je 9 gleichen Münzen: einer steht gerade, der andere ist schief geschoben. Wie verhalten sich ihre Volumina?

  • ● Sie sind gleich groß
  • ○ Der gerade Stapel hat mehr Volumen
  • ○ Der schiefe Stapel hat mehr Volumen
Beide Stapel bestehen aus gleich vielen gleichen Münzen; das Verschieben ändert weder die Münzen noch die Höhe des Stapels. In jeder Höhe liegt eine gleich große Schnittfläche, das Volumen bleibt gleich (Cavalieri). Der schiefe Stapel wirkt nur länger.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Ein Stapel aus 200 Blättern Papier bildet einen Quader. Schiebt man die Blätter zu einem schiefen Stapel derselben Höhe, bleibt das Volumen gleich.

✓ Wahr
Es sind dieselben 200 Blätter mit derselben Fläche und derselben Höhe des Stapels. In jeder Höhe ist die Schnittfläche gleich groß, also bleibt das Volumen gleich.
Wahr / Falsch #3 15s ▶ Testen

Ein Quader und eine Pyramide haben dieselbe Grundfläche (20 cm²) und sind beide 5 cm hoch. Also haben sie dasselbe Volumen.

✓ Falsch
Die Pyramide läuft nach oben spitz zu: Ihre Schnittfläche wird mit der Höhe kleiner, die des Quaders bleibt 20 cm². Nur gleiche Schnittflächen in jeder Höhe sichern gleiches Volumen; gleiche Grundfläche und Höhe genügen nicht.
Multiple Choice #4 20s ▶ Testen

Bei welchem Paar von Körpern (jeweils gleich hoch) haben beide in jeder Höhe gleich große Schnittflächen?

  • ● Ein gerader und ein schiefer Zylinder mit gleicher Grundfläche
  • ○ Ein Quader und eine Pyramide mit gleicher Grundfläche
  • ○ Zwei Quader, je 5 cm hoch, mit den Grundflächen 12 cm² und 20 cm²
Beim schiefen Zylinder ist jeder Schnitt ein Kreis derselben Größe wie beim geraden. Bei der Pyramide schrumpft der Schnitt nach oben, und die beiden Quader haben trotz gleicher Höhe verschiedene Schnittflächen (12 cm² gegen 20 cm²).
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Ein schiefes Prisma hat die Grundfläche G = 20 cm². Seine schräge Kante ist 10 cm lang, der senkrechte Abstand von Grund- und Deckfläche beträgt 8 cm. Wie groß ist das Volumen?

  • ● 160 cm³
  • ○ 200 cm³
  • ○ 80 cm³
V = G · h mit h = dem senkrechten Abstand der Flächen: 20 · 8 = 160 cm³. Mit der schrägen Kante 10 cm käme 200 cm³ heraus, und ½ · 20 · 8 = 80 cm³ übernimmt fälschlich das Halb der Dreiecksformel.
Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

Ein schiefes Prisma hat G = 30 cm² und eine schräge Kante von 10 cm. Sein Volumen ist 300 cm³.

✓ Falsch
Die schräge Kante ist länger als der senkrechte Abstand der Flächen. Das Volumen ist G mal dieser Höhe, also kleiner als 30 · 10 = 300 cm³.
Mittel
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Zwei Körper sind je 8 cm hoch. In jeder Höhe hat die Schnittfläche 15 cm². Wie groß ist das Volumen eines Körpers (in cm³)?

✓ Antwort: 120
Ein Körper mit in jeder Höhe gleicher Schnittfläche 15 cm² hat dasselbe Volumen wie ein gerades Prisma mit G = 15 cm² und h = 8 cm: V = 15 · 8 = 120 cm³.
Zahleneingabe #2 30s ▶ Testen

Ein schiefes Prisma hat die Grundfläche G = 15 cm² und den senkrechten Abstand h = 6 cm zwischen Grund- und Deckfläche. Berechne V (in cm³).

✓ Antwort: 90
V = G · h = 15 · 6 = 90 cm³.
Schwer
Zahleneingabe #1 45s ▶ Testen

40 quadratische Karten (Kantenlänge 5 cm, Dicke 2 mm) werden zu einem schiefen Stapel geschoben. Wie groß ist sein Volumen (in cm³)?

✓ Antwort: 200
Die Höhe ist 40 · 2 mm = 80 mm = 8 cm, die Schnittfläche in jeder Höhe 5 · 5 = 25 cm². V = 25 · 8 = 200 cm³. Das Schieben ändert daran nichts.
Zahleneingabe #2 50s ▶ Testen

Ein schiefes Prisma hat die Grundfläche G = 10 cm², die schräge Kante 13 cm, und die Deckfläche ist 5 cm seitlich verschoben. Berechne V (in cm³).

✓ Antwort: 120
Kante, Verschiebung und Höhe bilden ein rechtwinkliges Dreieck: h² = 13² − 5² = 144, also h = 12 cm. V = 10 · 12 = 120 cm³.
Zahleneingabe #3 40s ▶ Testen

Ein schief stehender Turm ist ein Prisma mit rechteckiger Grundfläche 30 m × 20 m. Die Deckfläche ist 10 m seitlich verschoben, der senkrechte Abstand von Grund- und Deckfläche beträgt 40 m. Wie groß ist sein Volumen (in m³)?

✓ Antwort: 24000
G = 30 · 20 = 600 m², h = 40 m (die Verschiebung 10 m und die schräge Kante werden nicht gebraucht): V = 600 · 40 = 24 000 m³.
KI-bewertete Rechnung #4 240s ▶ Testen

Ein schiefes Prisma hat eine rechteckige Grundfläche 6 cm × 5 cm. Die schräge Kante ist 15 cm lang, die Deckfläche ist 9 cm seitlich verschoben. Berechne das Volumen und begründe mit dem Prinzip von Cavalieri, warum du G · h verwenden darfst. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Höhe aus dem rechtwinkligen Dreieck: h² = 15² − 9² = 144, h = 12 cm. G = 6 · 5 = 30 cm². V = G · h = 30 · 12 = 360 cm³. Begründung: In jeder Höhe ist die Schnittfläche genauso groß wie die Grundfläche (30 cm²), also hat das schiefe Prisma dasselbe Volumen wie das gerade Prisma gleicher Höhe.
h = 12 cm, G = 30 cm², V = 360 cm³; gleiche Schnittflächen in jeder Höhe nach Cavalieri.