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投影図と展開図 ── 立体を平面で表す方法

立体は3次元なので、紙の上に正確に描くのが難しい。そこで 2つの平面表現 ── 投影図(真上・真横・正面から見た形)と展開図(広げた形)── を使います。建築・工業デザイン・コンピュータ3Dでも基本になる重要な考え方です。

投影図(とうえいず):3方向から見た図

用語
投影図
立体を 3方向から見た図を組み合わせて表す方法。
投影図 = 3方向から見た図 平面図 真上から見た形 (円柱なら円) 立面図 真正面から見た形 (縦の高さがわかる) 側面図 真横から見た形 (横の幅がわかる) 3方向から見ると、立体の形が一意に決まる
図1:投影図の3つの図
3つの図の名前
平面図・立面図・側面図
  • 平面図:真上から見た形(鳥の目)
  • 立面図(正面図):真正面から見た形
  • 側面図:真横から見た形

各立体の投影図

  • 円柱:平面図=円、立面図=長方形、側面図=長方形
  • 円錐:平面図=円(中心に点)、立面図=三角形、側面図=三角形
  • 三角柱:平面図=三角形、立面図=長方形、側面図=長方形
  • 立方体:すべて正方形(同じ大きさ)

展開図(てんかいず):広げた図

用語
展開図
立体の表面を 切り開いて平面に広げた図。組み立てれば元の立体になる。

角柱の展開図

  • 底面が2つ(多角形)+ 側面が n 個の長方形(n は底面の辺の数)
  • 例:四角柱なら、底面の正方形2枚 + 側面の長方形4枚 = 6枚

円柱の展開図

  • 底面の円が2つ + 側面の長方形(縦=高さ、横=底面の周の長さ=2πr)
円柱の展開図 底面(円) 側面(長方形) 縦=高さ/横=2πr(円周) 底面(円) 側面を巻くと底面の円周(2πr)にぴったり一致
図2:円柱の展開図

円錐の展開図

  • 底面の円 + 側面(おうぎ形:半径=母線の長さ、弧の長さ=底面の円周)

円錐の側面は おうぎ形。これが理解できれば、表面積の計算がぐっと楽になります(次回以降)。

展開図のチェック方法

  • 面の数が立体と一致するか
  • 組み立てたときに辺どうしが ぴったり合うか
  • 立方体の展開図には 11種類のパターンがある(有名な問題)
つまずきポイント
  • 側面の長方形の横の長さ:円柱の側面長方形の 横は底面の円周(2πr)。 高さと混同しない。
  • 円錐の側面はおうぎ形:長方形ではない。半径=母線、弧=底面の円周。
  • 展開図の正解は1つでない:どの辺で切り開くかで形が変わる。立方体だけでも11種類あることを覚えておく。

練習問題

問題1(投影図)
次の立体について、平面図と立面図(正面から見た図)の形を答えなさい。
  1. 立方体
  2. 円柱
  3. 円錐
答えを見る

(1) 平面図:正方形、立面図:正方形

(2) 平面図:、立面図:長方形

(3) 平面図:円(中心の点)、立面図:三角形(二等辺三角形)

問題2(展開図)
底面の半径 3 cm、高さ 10 cm の円柱の展開図について、側面の長方形の縦と横の長さを求めなさい。
答えを見る

縦=高さ=10 cm

横=底面の円周=2π×3=6π cm

問題3(記述)
なぜ円柱の側面の展開図は長方形になるのか、自分のことばで説明しなさい。
答えを見る

解答例:円柱の側面は曲がった面だが、これを縦に1本切って広げると、長方形になる。長方形の縦は円柱の高さに、横は底面の円周(2πr)に等しい。曲がった面がきれいな長方形になるのは、側面が「真直ぐな縦線が並んでいる」面(線織面)だから。

まとめ

  • 投影図:3方向から見た図(平面図・立面図・側面図)。
  • 展開図:立体の表面を平面に広げた図。組み立てると元の立体に。
  • 円柱の展開図:底面の円2つ+側面の長方形(縦=高さ、横=2πr)。
  • 円錐の展開図:底面の円+側面のおうぎ形(半径=母線)。
  • 立方体の展開図には 11種類のパターンがある。