Eine Glaspyramide
AFB I–IIEine Glaspyramide steht auf dem Quadrat \(A(0|0|0)\), \(B(20|0|0)\), \(C(20|20|0)\), \(D(0|20|0)\); ihre Spitze ist \(S(10|10|14)\) (in m). Die vier Seitenflächen sind verglast.
- Berechnen Sie das Volumen der Pyramide.
- Bestimmen Sie die Länge einer Seitenkante.
- Ermitteln Sie die Glasfläche der vier Seitenflächen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(G=400\ \text{m}^2\), \(h=14\ \text{m}\), \(V=\tfrac13\cdot400\cdot14\approx1866{,}7\ \text{m}^3\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(|\overrightarrow{AS}|=\sqrt{100+100+196}=\sqrt{396}\approx19{,}90\ \text{m}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\overrightarrow{FS}=(0|10|14)\), \(h_s=\sqrt{296}\approx17{,}20\ \text{m}\). \(A_{ABS}=\tfrac12\cdot20\cdot17{,}20\approx172{,}0\ \text{m}^2\). Vier gleiche Flächen: \(\approx688{,}1\ \text{m}^2\).
Würfel mit abgeschnittenen Ecken
AFB II–IIIEin Holzwürfel hat die Ecke \(O(0|0|0)\) und die Kantenlänge 6 cm; er liegt im ersten Oktanten. An der Ecke \(O\) wird entlang der Ebene durch \(P(3|0|0)\), \(Q(0|3|0)\) und \(R(0|0|3)\) ein Tetraeder abgesägt. Später sollen an allen acht Ecken gleich große Tetraeder abgesägt werden.
- Weisen Sie nach, dass das Tetraeder \(OPQR\) das Volumen \(4{,}5\ \text{cm}^3\) hat.
- Zeigen Sie, dass das Schnittdreieck \(PQR\) gleichseitig ist, und berechnen Sie seinen Flächeninhalt.
- Untersuchen Sie, bis zu welcher Schnitttiefe \(a\) (Schnittpunkte \((a|0|0)\), \((0|a|0)\), \((0|0|a)\) an jeder Ecke) man alle acht Ecken abschneiden kann, ohne dass sich die Tetraeder überschneiden.
- Beurteilen Sie Jonas’ Rechnung für \(a=6\): „Restvolumen \(216-8\cdot36=-72\) — der Würfel verschwindet ganz.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(G=\tfrac12\cdot3\cdot3=4{,}5\ \text{cm}^2\), \(h=3\ \text{cm}\), \(V=\tfrac13\cdot4{,}5\cdot3=4{,}5\ \text{cm}^3\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(|\overrightarrow{PQ}|=|\overrightarrow{QR}|=|\overrightarrow{RP}|=\sqrt{18}=3\sqrt2\). Höhe \(\tfrac{\sqrt3}{2}\cdot3\sqrt2\), Fläche \(\tfrac{\sqrt3}{4}\cdot18=4{,}5\sqrt3\approx7{,}79\ \text{cm}^2\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Auf jeder Kante schneiden die beiden Nachbarecken je die Länge \(a\) ab. Ohne Überschneidung muss \(a+a\le6\) gelten, also \(a\le3\). Im Grenzfall \(a=3\) treffen sich die Schnitte genau in den Kantenmitten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für \(a=6\) hätte jedes Tetraeder das Volumen \(\tfrac16\cdot6^3=36\ \text{cm}^3\). Die Rechnung setzt aber voraus, dass sich die Tetraeder nicht überschneiden — das ist nach c) nur für \(a\le3\) erfüllt. Ein negatives Volumen zeigt, dass mehrfach abgezogen wurde. Richtig für den Grenzfall \(a=3\): \(216-8\cdot4{,}5=180\ \text{cm}^3\) (ein Kuboktaeder).
