中学生の学習ノート教科書をもう一段くわしく

角錐・円錐の体積と表面積 ── 1/3 と母線の関係

先がとがった立体 ── 角錐と円錐。体積は 同じ底面・同じ高さの柱体の 1/3 という、覚えやすくも不思議な公式。表面積では 円錐の側面がおうぎ形 になる仕組みもポイントです。

錐体の体積:柱体の 1/3

公式
錐体の体積

体積 = 底面積 × 高さ × (1/3)

柱体の体積(底面積×高さ)の 1/3。これは数学的に証明できる事実(高校で詳しく)。

例題

例1:底面が一辺 6cm の正方形、高さ 9cm の四角錐

底面積 = 6×6 = 36 cm²

体積 = 36 × 9 × (1/3) = 108 cm³

108 cm³

例2:底面の半径 3cm、高さ 8cm の円錐

底面積 = π × 9 = 9π cm²

体積 = 9π × 8 × (1/3) = 24π cm³

24π cm³

角錐の表面積

角錐の表面積は、底面 + 側面の三角形を全部足す。側面の三角形は4つ(四角錐なら)あって、それぞれ計算します。

例3:底面が一辺 6cm の正方形、側面の三角形の高さが 5cm の四角錐

底面積 = 6×6 = 36 cm²

側面の三角形1つ = 6×5÷2 = 15 cm²、 4つで 60 cm²

表面積 = 36 + 60 = 96 cm²

円錐の表面積

円錐の表面積は 底面の円 + 側面のおうぎ形。注意ポイント:側面はおうぎ形ということ。

円錐の表面積
底面 + 側面(おうぎ形)
  • 底面:πr²
  • 側面(おうぎ形):半径 = 母線の長さ ℓ、弧の長さ = 底面の円周 2πr
  • 側面積 = おうぎ形の面積 = π × ℓ × r (r は底面の半径、ℓ は母線)
円錐の側面 = おうぎ形 母線 ℓ 底面 半径 r 側面(おうぎ形) 半径 = ℓ 弧 = 2πr
図1:円錐を切り開くと側面はおうぎ形

母線(ぼせん)とは

用語
母線(ぼせん)
円錐の 頂点から底面の円周への斜めの線の長さ。記号 ℓ(エル)。

円錐の 高さ は頂点から底面へ垂直に下ろした距離、母線 は側面を通る斜めの距離です。体積では高さ、側面積では母線を使うので、同じ「長さ」でも役割が違います。

例題

例4:底面の半径 3cm、母線の長さ 5cm の円錐

底面積 = π×9 = 9π cm²

側面積 = π × 5 × 3 = 15π cm²

表面積 = 9π + 15π = 24π cm²

側面のおうぎ形の中心角

円錐の側面(おうぎ形)の中心角 a° は、弧 = 2πr、半径 = ℓから求められます。

2π ℓ × (a/360) = 2πr

a/360 = r/ℓ(中心角は r/ℓ の割合)

例:r=3、ℓ=5 → 中心角 = 360 × (3/5) = 216°

つまずきポイント
  • 1/3 を忘れない:錐体の体積は柱体と同じく「底面積×高さ」を計算してから、最後に1/3。
  • 母線と高さの違い:円錐の高さは 真上から下までの垂直距離、母線は 頂点から底面の縁までの斜めの距離。混同しない。
  • 側面はおうぎ形:円錐の側面が 三角形ではなくおうぎ形だと忘れがち。
  • 三平方の定理(中3)が使えれば、母線・半径・高さは ℓ²= r²+h² の関係。

練習問題

問題1(角錐)
底面が一辺 5cm の正方形、高さ 9cm の四角錐の体積を求めなさい。
答えを見る

底面積 = 25 cm²、 体積 = 25×9×(1/3) = 75 cm³

問題2(円錐の体積)
底面の半径 4cm、高さ 9cm の円錐の体積を求めなさい。
答えを見る

底面積 = 16π cm²、 体積 = 16π×9×(1/3) = 48π cm³

問題3(円錐の表面積)
底面の半径 6cm、母線の長さ 10cm の円錐の表面積を求めなさい。
答えを見る

底面積 = π×36 = 36π cm²

側面積 = π×10×6 = 60π cm²

表面積 = 36π + 60π = 96π cm²

まとめ

  • 錐体の体積:底面積 × 高さ × (1/3)。柱体の1/3。
  • 角錐の表面積:底面 + 側面の三角形(複数)。
  • 円錐の表面積:底面 πr² + 側面のおうぎ形 πℓr
  • 側面のおうぎ形の中心角=360°×(r/ℓ)。
  • 母線(ℓ)と高さ(h)は別物。