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M6 M - Oberfläche von Würfel und Quader

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M6 M - Oberfläche von Würfel und Quader



M6 M - Oberfläche von Würfel und Quader


Einleitung

Wie viel Pappe braucht man für eine Schachtel? Wie groß ist die gesamte Außenfläche eines Würfels? Und warum darfst Du bei einem Quader nicht einfach nur Länge, Breite und Höhe miteinander multiplizieren?

In diesem aiMOOC lernst Du, den Oberflächeninhalt von Würfel und Quader nicht nur mit einer Formel zu berechnen, sondern ihn aus den einzelnen Flächen herzuleiten. Du arbeitest mit Körpernetzen, Rechtecksflächen, faltbaren 3D-Modellen und systematischen Rechenwegen.

Zielgruppe: Klasse 6, M-Niveau.

Du sollst am Ende erklären können:

  1. Oberfläche: Du erkennst die Oberfläche als Summe aller äußeren Flächen eines Körpers.
  2. Quadernetz: Du ordnest die sechs Rechtecksflächen den drei Flächenpaaren zu.
  3. Würfelnetz: Du erkennst, dass ein Würfel aus sechs gleich großen Quadraten besteht.
  4. Rechenweg: Du entwickelst aus dem Netz die Formeln O=2(ab+ac+bc) und O=6a2.
  5. Flächeneinheit: Du gibst Ergebnisse in passenden Quadrateinheiten wie cm2 an.
  6. Transfer: Du löst Aufgaben zu Verpackungen, fehlenden Maßen und veränderten Kantenlängen.


Was bedeutet Oberfläche?

Die Oberfläche eines Körpers besteht aus allen Flächen, die Du von außen berühren könntest. Schneidest Du einen Körper an geeigneten Kanten auf und klappst ihn flach auseinander, erhältst Du ein Körpernetz.

Der entscheidende Zusammenhang lautet:

Oberflächeninhalt des Körpers=Flächeninhalt des Netzes

Bei Würfel und Quader bedeutet das: Berechne die Flächeninhalte aller Teilflächen und addiere sie.

Beobachtungsauftrag zur Animation: Achte darauf, dass beim Aufklappen keine Fläche verschwindet und keine neue Fläche entsteht. Der Körper sieht anders aus, aber die Summe seiner Flächeninhalte bleibt gleich.


Vom Körper zum Netz

Ein Quader besitzt sechs rechteckige Begrenzungsflächen. Je zwei gegenüberliegende Rechtecke sind gleich groß und parallel.

Bei den Kantenlängen a, b und c entstehen drei verschiedene Rechteckstypen:

Flächenpaar Eine Rechtecksfläche Zwei gleiche Flächen
Länge × Breite A1=ab 2ab
Länge × Höhe A2=ac 2ac
Breite × Höhe A3=bc 2bc

Damit erhältst Du Schritt für Schritt:

O=ab+ab+ac+ac+bc+bc
O=2ab+2ac+2bc
O=2(ab+ac+bc)

Merksatz: Beim Quader berechnest Du zuerst die drei verschiedenen Rechtecksflächen, verdoppelst sie und addierst alles.


Systematischer Rechenweg beim Quader

Nutze möglichst immer dieselbe Reihenfolge. So vergisst Du keine Fläche.

  1. Maße notieren: a, b und c mit derselben Längeneinheit.
  2. Flächentypen bilden: ab, ac und bc.
  3. Einzelflächen berechnen: Jede Multiplikation einzeln ausrechnen.
  4. Gegenflächen berücksichtigen: Jede der drei Flächen kommt zweimal vor.
  5. Addieren: O=2(ab+ac+bc).
  6. Einheit prüfen: Bei einer Fläche muss die Einheit quadratisch sein, zum Beispiel cm2.


Beispiel: Quader mit a=8cm, b=5cm, c=3cm

Schritt Rechnung Ergebnis
Erste Rechtecksart ab=85 40cm2
Zweite Rechtecksart ac=83 24cm2
Dritte Rechtecksart bc=53 15cm2
Drei verschiedene Flächen 40+24+15 79cm2
Jeweils zwei Gegenflächen 279 158cm2

Klappe den Kurzweg auf:

O=2(ab+ac+bc)=2(85+83+53)=2(40+24+15)=279=158cm2


Der Würfel als besonderer Quader

Ein Würfel besitzt sechs gleich große quadratische Flächen. Hat jede Kante die Länge a, dann ist der Flächeninhalt eines Quadrats

AQ=aa=a2

und damit

O=6a2

Du kannst die Würfelformel auch aus der Quaderformel gewinnen:

O=2(ab+ac+bc)a=b=cO=2(a2+a2+a2)=23a2=6a2

Wichtig: Es gibt verschiedene Würfelnetze. Ihre Anordnung ist verschieden, aber jedes gültige Würfelnetz enthält genau sechs gleich große Quadrate.


Beispiel: Würfel mit a=4,5cm

O=6a2=6(4,5cm)2=620,25cm2=121,5cm2


Interaktive 3D-Geometrie: aufklappen, drehen, prüfen

Auftrag 1: Würfelnetze falten. Bewege im GeoGebra-Material den Schieberegler. Beobachte, welche Flächen beim Zusammenklappen gegenüberliegen.

Auftrag 2: Quaderoberfläche verändern. Verändere die Kantenlängen. Prüfe, welche Rechtecksflächen größer werden und welche unverändert bleiben.

Auftrag 3: Vom Quader zum Netz und zurück. Falte das Netz zusammen und wieder auf. Ordne beim Falten die drei Flächenpaare gedanklich zu.


Flächenmodell: Sechs Flächen sichtbar machen

Statt sofort eine Formel einzusetzen, kannst Du einen Quader gedanklich mit Etiketten versehen:

Lage am Körper Flächeninhalt Gleich große Gegenfläche
oben ab unten
vorne ac hinten
links bc rechts

Damit wird sichtbar:

ab+aboben und unten+ac+acvorne und hinten+bc+bclinks und rechts
=2ab+2ac+2bc


Interaktives Rechenlabor

Rechne zuerst selbst. Nutze danach die Eingabefelder zur Kontrolle.

Quader: a=7cm, b=4cm, c=2cm. Ergänze den Rechenweg.
ab=

cm2.
ac=

cm2.
bc=

cm2.
ab+ac+bc=

cm2.
O=250=

cm2.



Würfel: a=6cm. Ergänze.
Eine Quadratfläche hat A=a2=

cm2.
Die sechs Quadratflächen ergeben O=636=

cm2.



Visueller Schritt-für-Schritt-Weg

Schritt 1 öffnen: Welche Flächen gibt es?

Ein Quader hat sechs Rechtecke. Gegenüberliegende Flächen sind jeweils gleich groß.

ab,ab,ac,ac,bc,bc

Schritt 2 öffnen: Gleiche Flächen paaren

(ab+ab)+(ac+ac)+(bc+bc)

Schritt 3 öffnen: Verdoppeln

2ab+2ac+2bc

Schritt 4 öffnen: Ausklammern

O=2(ab+ac+bc)


Einheiten richtig verwenden

Längen und Flächen dürfen nicht verwechselt werden.

Größe Beispiel Einheit
Kantenlänge a=5cm cm
Rechtecksfläche A=5cm3cm cm2
Oberfläche Summe mehrerer Flächen cm2

Bei Umrechnungen musst Du besonders aufpassen:

1cm=10mm

aber

1cm2=10mm10mm=100mm2

Regel: Bringe zuerst alle Kantenlängen in dieselbe Einheit. Berechne danach die Flächen.


Fehlerdetektiv

Fehler A: O=ab+ac+bc

Hier wurde jedes Flächenpaar nur einmal gezählt. Ein Quader besitzt aber von jeder Rechtecksart zwei Flächen.
Richtig ist: O=2(ab+ac+bc).

Fehler B: O=abc

abc beschreibt einen Rauminhalt und hat eine kubische Einheit wie cm3. Für die Oberfläche brauchst Du Rechtecksflächen mit quadratischen Einheiten.

Fehler C: O=2(a+b+c)

Hier werden nur Längen addiert. Eine Oberfläche besteht jedoch aus Flächen. Deshalb müssen jeweils zwei Kantenlängen multipliziert werden.


Verpackungen als Anwendung

Eine geschlossene quaderförmige Verpackung mit a=20cm, b=8cm und c=5cm besitzt ohne Klebelaschen eine Oberfläche von

O=2(208+205+85)=2(160+100+40)=2300=600cm2

Für eine echte Verpackung wäre meist etwas mehr Material nötig, weil Klebelaschen, Überlappungen oder Verschnitt hinzukommen können. Das mathematische Quader-Modell berechnet zunächst die sechs idealen Außenflächen.


Was passiert beim Verändern der Kanten?

Bei einem Würfel mit Kantenlänge a gilt O=6a2.

Verdoppelst Du die Kantenlänge, erhältst Du:

Oneu=6(2a)2=64a2=46a2=4O

Die Oberfläche wird also viermal so groß.

Verdreifachst Du die Kantenlänge:

Oneu=6(3a)2=69a2=9O

Die Oberfläche wird neunmal so groß.

Diese Beobachtung ist wichtig: Flächen wachsen quadratisch mit einem gemeinsamen Vergrößerungsfaktor.


Medien zum Erklären und Wiederholen

Quadernetze zeichnen und Gegenflächen erkennen:

Oberflächen von Würfel und Quader berechnen:

Oberflächeninhalt eines Quaders wiederholen:


Entdeckerbild: ein interaktives Würfelnetz

Forscherfrage: Welche Flächen werden beim Zusammenfalten Nachbarn, und welche liegen sich gegenüber? Begründe Deine Vermutung zuerst am Netz und prüfe sie danach mit dem faltbaren 3D-Modell.


Medien- und Lizenzhinweis

Die verwendeten Wikimedia-Commons-Dateien sind auf ihren jeweiligen Dateibeschreibungsseiten mit freien Lizenzen beziehungsweise als gemeinfrei gekennzeichnet. Die Faltanimation „Cubo desarrollo, slow.gif“ ist als CC0 veröffentlicht; „QuaderNetz.svg“ und „Würfelnetze.svg“ sind als gemeinfrei gekennzeichnet. Bei extern eingebetteten Angeboten wie GeoGebra und YouTube gelten die Nutzungs- und Lizenzbedingungen der jeweiligen Plattform und Urheber.


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt der Oberflächeninhalt eines Quaders? (Die Summe der Flächeninhalte aller sechs Außenflächen) (!Das Produkt aller drei Kantenlängen) (!Die Summe aller zwölf Kantenlängen) (!Nur den Flächeninhalt der Grundfläche)




Welche Formel gilt für einen Quader mit Kantenlängen a, b und c? (O gleich zwei mal ab plus ac plus bc) (!O gleich a mal b mal c) (!O gleich zwei mal a plus b plus c) (!O gleich sechs mal a Quadrat)




Ein Quader hat die Maße 8 cm, 5 cm und 3 cm. Wie groß ist seine Oberfläche? (158 Quadratzentimeter) (!79 Quadratzentimeter) (!120 Quadratzentimeter) (!240 Quadratzentimeter)




Warum kommt bei der Quaderformel der Faktor zwei vor? (Weil jede der drei Rechtecksarten zweimal vorkommt) (!Weil jede Kante doppelt so lang gerechnet wird) (!Weil ein Quader nur zwei Flächen besitzt) (!Weil Flächeneinheiten immer verdoppelt werden)




Woraus besteht die Oberfläche eines Würfels? (Aus sechs gleich großen Quadraten) (!Aus vier gleich großen Quadraten) (!Aus sechs verschiedenen Rechtecken) (!Aus acht Dreiecken)




Welche Formel gilt für einen Würfel mit Kantenlänge a? (O gleich sechs mal a Quadrat) (!O gleich drei mal a Quadrat) (!O gleich a hoch drei) (!O gleich zwölf mal a)




Wie groß ist die Oberfläche eines Würfels mit Kantenlänge 4 cm? (96 Quadratzentimeter) (!16 Quadratzentimeter) (!64 Quadratzentimeter) (!24 Quadratzentimeter)




Welche Einheit passt zu einer Oberfläche, wenn die Kanten in Zentimetern angegeben sind? (Quadratzentimeter) (!Zentimeter) (!Kubikzentimeter) (!Millimeter ohne Quadrat)




Welche drei verschiedenen Rechtecksflächen brauchst Du beim Quader? (a mal b, a mal c und b mal c) (!a mal a, b mal b und c mal c) (!a plus b, a plus c und b plus c) (!a mal b mal c, a plus b plus c und a Quadrat)




Was passiert mit der Oberfläche eines Würfels, wenn alle Kanten verdoppelt werden? (Sie wird viermal so groß) (!Sie wird zweimal so groß) (!Sie wird sechsmal so groß) (!Sie bleibt gleich groß)





Memory

Oberfläche Summe aller äußeren Flächen
Körpernetz Flach ausgeklappte Begrenzungsflächen
Würfel Körper mit sechs gleich großen Quadraten
Quader Körper mit rechteckigen Begrenzungsflächen
Gegenflächen Parallele und gleich große Flächen
Flächenpaar Zwei deckungsgleiche Rechtecke
Quadratfläche Seitenlänge mal Seitenlänge
Rechteckfläche Länge mal Breite





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Thema
Grundfläche Rechteck aus Länge und Breite
Seitenfläche Rechteck aus einer Grundkante und der Höhe
Gegenfläche Deckungsgleiche Fläche auf der anderen Körperseite
Würfelfläche Quadrat mit gleich langen Seiten
Oberfläche Gesamtheit aller äußeren Begrenzungsflächen





Kreuzworträtsel

Quader Welcher Körper besitzt sechs rechteckige Begrenzungsflächen?
Würfel Welcher Körper besitzt sechs gleich große quadratische Flächen?
Quadrat Welche Form hat jede Seitenfläche eines Würfels?
Rechteck Welche Form haben die Begrenzungsflächen eines allgemeinen Quaders?
Oberfläche Wie heißt die Gesamtheit aller äußeren Flächen eines Körpers?
Körpernetz Wie heißt die flach ausgeklappte Darstellung der Begrenzungsflächen?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.
Die Oberfläche eines Körpers besteht aus allen

des Körpers.
Ein Körpernetz zeigt diese Flächen

in der Ebene.
Beim Quader sind gegenüberliegende Flächen

.
Den Flächeninhalt eines Rechtecks berechnest Du aus

.
Beim Würfel bestehen alle Begrenzungsflächen aus

.
Die Quaderformel lässt sich besonders übersichtlich über

entwickeln.
Oberflächen werden in

angegeben.
Körpernetz und Körperoberfläche besitzen

.




Rechenweg ordnen

Ordne die Arbeitsschritte sinnvoll zu. Bedeutung
Maße vereinheitlichen Alle Kanten zuerst in dieselbe Längeneinheit bringen
Flächenarten bestimmen Die Produkte aus jeweils zwei passenden Kanten bilden
Rechtecksflächen berechnen Die drei verschiedenen Flächeninhalte ausrechnen
Gegenflächen ergänzen Jede Rechtecksart ein zweites Mal berücksichtigen
Flächensumme bilden Alle sechs Teilflächen zum Oberflächeninhalt zusammenfassen




Selbstkontrolle mit aufklappbaren Lösungen

Aufgabe A: Quader 9cm×4cm×2cm

O=2(94+92+42)=2(36+18+8)=262=124cm2

Aufgabe B: Würfel mit a=7cm

O=672=649=294cm2

Aufgabe C: Quader 5cm×3cm×40mm

Zuerst umrechnen: 40mm=4cm.
Dann: O=2(53+54+34)=2(15+20+12)=94cm2.


Offene Aufgaben


Leicht

  1. Würfelnetz basteln: Zeichne ein gültiges Würfelnetz auf kariertes Papier, schneide es aus, falte es und markiere jeweils gegenüberliegende Flächen mit demselben Symbol.
  2. Quader im Alltag: Suche drei quaderförmige Gegenstände. Miss ihre Kanten und notiere, welche drei verschiedenen Rechtecksflächen auftreten.
  3. Flächenpaare markieren: Zeichne ein Quadernetz und kennzeichne die drei Paare gleich großer Flächen mit drei unterschiedlichen Schraffuren.
  4. Erklärbild gestalten: Erstelle ein Bild oder Plakat, das den Weg von ab+ab+ac+ac+bc+bc zu 2(ab+ac+bc) zeigt.


Standard

  1. Verpackung berechnen: Wähle eine quaderförmige Verpackung, miss Länge, Breite und Höhe und berechne die ideale Oberfläche ohne Klebelaschen.
  2. Rechenweg vergleichen: Löse dieselbe Quaderaufgabe einmal durch Addition aller sechs Einzelflächen und einmal mit 2(ab+ac+bc). Erkläre, warum beide Wege dasselbe Ergebnis liefern.
  3. Würfelnetze untersuchen: Nutze das interaktive Würfelnetz und dokumentiere drei unterschiedliche gültige Netze. Markiere jeweils Paare gegenüberliegender Flächen.
  4. Fehler erklären: Erfinde drei typische Fehler bei Oberflächenberechnungen und schreibe zu jedem Fehler eine kurze Korrektur mit passender Formel.


Schwer

  1. Vergrößerung untersuchen: Berechne die Oberfläche eines Würfels für mehrere Kantenlängen und untersuche, was beim Verdoppeln oder Verdreifachen der Kante passiert. Begründe das Ergebnis mit O=6a2.
  2. Unbekannte Kante finden: Ein Würfel besitzt eine Oberfläche von 150cm2. Bestimme die Kantenlänge durch systematisches Rückwärtsrechnen und begründe jeden Schritt.
  3. Optimale Schachtel erkunden: Vergleiche mehrere Quader mit demselben Volumen, aber unterschiedlichen Kantenlängen. Berechne ihre Oberflächen und beschreibe Deine Beobachtungen, ohne daraus vorschnell eine allgemeine Regel abzuleiten.
  4. Erklärvideo produzieren: Produziere ein höchstens dreiminütiges Erklärvideo, in dem Du an einem selbst gewählten Quadernetz die Formel für die Oberfläche entwickelst und die Einheit erklärst.




Text bearbeiten Bild einfügen Video einbetten Interaktive Aufgaben erstellen



Lernkontrolle

  1. Vom Netz zur Formel: Ein Quadernetz enthält zwei Rechtecke mit 8cm×5cm, zwei mit 8cm×3cm und zwei mit 5cm×3cm. Entwickle aus diesen sechs Flächen einen möglichst kurzen Rechenweg und begründe jede Zusammenfassung.
  2. Fehleranalyse Oberfläche: Eine Schülerin rechnet für einen Quader O=853=120. Erkläre zwei verschiedene Gründe, warum dieser Rechenweg nicht den Oberflächeninhalt liefert, und stelle einen korrekten Weg gegenüber.
  3. Maßänderung beurteilen: Bei einem Quader wird nur die Länge a verdoppelt, während b und c gleich bleiben. Untersuche mithilfe von O=2(ab+ac+bc), welche Flächenpaare sich verändern und welche nicht.
  4. Netz und Körper vergleichen: Zwei unterschiedlich aussehende Netze gehören zum selben Würfel mit Kantenlänge 6cm. Begründe ohne vollständiges Ausrechnen, warum beide Netze denselben Oberflächeninhalt besitzen.
  5. Verpackungsentscheidung: Zwei quaderförmige Schachteln sollen verglichen werden. Schachtel A misst 10cm×6cm×4cm, Schachtel B 12cm×5cm×4cm. Berechne die idealen Oberflächen und erkläre, welche weniger Material benötigt.
  6. Einheiten übertragen: Ein Quader ist mit zwei Maßen in Zentimetern und einem Maß in Millimetern angegeben. Entwickle einen Rechenplan, der verhindert, dass verschiedene Einheiten innerhalb eines Flächenprodukts vermischt werden.


Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen können, dass Du:

  1. ein Körpernetz von Würfel und Quader erkennst und seine Teilflächen benennst,
  2. die Oberfläche als Summe aller äußeren Flächen erklärst,
  3. die drei verschiedenen Rechtecksflächen eines Quaders aus a, b und c bestimmst,
  4. aus ab+ab+ac+ac+bc+bc die Formel O=2(ab+ac+bc) entwickelst,
  5. beim Würfel aus sechs gleichen Quadraten O=6a2 herleitest,
  6. einen vollständigen Rechenweg mit Flächeneinheit notierst,
  7. Längeneinheiten vor der Rechnung sinnvoll vereinheitlichst,
  8. typische Fehler wie fehlende Gegenflächen oder die Verwechslung mit abc erklärst,
  9. Ergebnisse an Netzen, Modellen oder Alltagssituationen überprüfst,
  10. Veränderungen der Oberfläche bei veränderten Kantenlängen begründet untersuchst.




OERs zum Thema

Wikipedia: Quader

Wikipedia: Würfel

Wikimedia Commons: Würfelnetze

Frei lizenzierte und gemeinfreie Medien zu Würfelnetzen auf Wikimedia Commons

GeoGebra: Netz und Oberfläche von Quader und Würfel

Interaktives GeoGebra-Material


Verknüpfte Lernbereiche


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