立体と 体積
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この 章で 学ぶこと
4 年生では、直方体と 立方体の 辺や 面の 関係、見取図や 展開図を 学びました。この 章では、さらに 仲間を 増やして 角柱や 円柱を 取り上げます。そして、立体の「かさ」を 数字で 表す 体積の 計算 に 進みます。
この 章が おわる ころには、つぎの ことが できるように なって います。
- 角柱・円柱の 名前と、その 底面・側面・高さ が 言える
- 三角柱・四角柱・五角柱・六角柱… の 頂点・辺・面の 数を 数えられる
- 円柱の 見取図・展開図を かける
- 体積の 意味(1 cm³ が 何こ 分)が 分かる
- 直方体の 体積 = たて × よこ × 高さ、立方体の 体積 = 1 辺 × 1 辺 × 1 辺 を 使える
- 立方センチメートル(cm³)、立方メートル(m³)、L(リットル)の 関係 が 言える
- 複合立体の 体積 を、分けて 足す・大きいから 引くで 求められる
ポイント:立体の 章では 面積と まったく 同じ 考え方が 使えます。面積は「1 cm² の 正方形が 何こ 分」。体積は 「1 cm³ の 立方体が 何こ 分」。次元が 1 つ 増える だけ です。
1. 4 年生で 学んだ 立体(おさらい)
直方体と 立方体
- 直方体:6 つの 面が ぜんぶ 長方形(正方形 を ふくむ)。向かい合う 面は 同じ 形・同じ 大きさ
- 立方体:6 つの 面が ぜんぶ 同じ 正方形。サイコロの 形
直方体: 立方体:
┌──────┐ ┌────┐
╱ ╱│ ╱ ╱│
╱ ╱ │ ╱ ╱ │
┌──────┐ │ ┌────┐ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ╱ │ │ ╱
│ │ ╱ │ │ ╱
└──────┘ └────┘
どちらも 6 面・12 辺・8 頂点。
見取図と 展開図
- 見取図:立体を 斜めから 見た ように かいた 図(見えない 辺は 点線)
- 展開図:立体の 面を、つながった 形に 平らに 広げて かいた 図
立方体の 展開図(十字型):
┌────┐
│ │
│ │
┌────┼────┼────┬────┐
│ │ │ │ │
│ │ │ │ │
└────┼────┼────┴────┘
│ │
│ │
└────┘
これらは 5 年生の 新しい 立体 でも 同じように 使います。
2. 角柱と 円柱
角柱
角柱(かくちゅう)とは、上下に 同じ 形の 多角形が あり、側面が ぜんぶ 長方形(または 正方形)の 立体 です。
上下の 同じ 形の 面を 底面(ていめん)、横を とり囲む 長方形の 面を 側面(そくめん)と いいます。
三角柱: 四角柱: 五角柱:
▲ ┌────┐ ⬠
╱│╲ ╱ ╱│ ╱ │╲
╱ │ ╲ ╱ ╱ │ ╱ │ ╲
▲──┼──▲ ┌────┐ │ ⬠───┼───⬠
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ ▼ │ │ │ ╱ │ ▼ │
│ ╱ ╲ │ │ │ ╱ │ ╱ ╲ │
▼─────▼ └────┘ ⬠──────⬠
底面の 形で 角柱の 名前が 決まります。
| 底面の 形 | 名前 | 側面 | 頂点 | 辺 | 面 |
|---|---|---|---|---|---|
| 三角形 | 三角柱 | 長方形 3 つ | 6 | 9 | 5 |
| 四角形 | 四角柱 | 長方形 4 つ | 8 | 12 | 6 |
| 五角形 | 五角柱 | 長方形 5 つ | 10 | 15 | 7 |
| 六角形 | 六角柱 | 長方形 6 つ | 12 | 18 | 8 |
ポイント: 底面が n 角形の 角柱では、頂点 = 2n、辺 = 3n、面 = n + 2。これは 丸暗記 しなくて よくて、「上の 面と 下の 面で 頂点が 同じ 数 ずつ」「n 本の 縦辺 + 上下の n 角形 の 辺 × 2」「上下 2 面 + 側面 n 枚」と 考えれば 自分で 出せます。
直方体・立方体は 四角柱 の 仲間です。底面が 長方形(または 正方形)で、側面も 長方形 だから です。
円柱
円柱(えんちゅう)とは、上下に 同じ 大きさの 円が あり、側面が 丸まった 長方形の 立体 です。底面の 形が 円なのが とくちょう。
円柱:
╭──────╮
│ │ ← 上の 底面(円)
╰──────╯
│ │
│ │ ← 側面
│ │
╭──────╮
│ │ ← 下の 底面(円)
╰──────╯
円柱には 頂点も、まっすぐな 辺も ありません。ただし 上下 の 円の ふちと、1 本の 高さの 直線を「辺」と 呼ぶ こと も あります。
高さ
角柱でも 円柱でも、高さは「2 つの 底面の あいだの 垂直な 長さ」です。側面の 長方形の 1 辺の 長さ と 同じ に なります。
┌────┐
│ │ ↑
│ │ │
│ │ │ 高さ
│ │ │
│ │ ↓
└────┘
3. 角柱・円柱の 展開図
四角柱 の 展開図
4 年生で 学んだ 直方体 の 展開図と 同じ 考え方 です。
┌────┐
│上底面│
├────┼────┬────┬────┐
│側面1│側面2│側面3│側面4│
├────┼────┴────┴────┘
│下底面│
└────┘
上下 に 底面の 四角形、横一列に 側面の 長方形が 4 つ ならびます。側面の 横 の 長さを ぜんぶ 足すと、底面の まわりの 長さ(周)と 等しく なります。
三角柱 の 展開図
▲
│底面│
├──────────────────┐
│ 側面1 │ 側面2 │ 側面3 │
├──────────────────┘
│底面│
▼
底面が 三角形、側面が 長方形 3 つ です。
円柱の 展開図
ここが 5 年生の 新しい ところ です。円柱の 側面を はさみで 切り開いて 広げると、長方形に なります。
● ●
│ 底面(円) │
╰─────╯
┌──────────────┐
│ │
│ 側面 │ 高さ
│ (長方形) │
│ │
└──────────────┘
╭─────╮
│ 底面(円) │
● ●
ここが 大切な 発見:
- 側面の 長方形の たて = 円柱の 高さ
- 側面の 長方形の よこ = 底面の 円の まわり の 長さ(円周)
つまり、側面の よこ = 直径 × 3.14(円周率)。第 4 章で 学んだ 円周率が ここで 役立ちます。
例題: 底面の 直径が 10 cm、高さが 8 cm の 円柱。側面を 広げた 長方形の たて・よこ の 長さは?
- たて = 高さ = 8 cm
- よこ = 直径 × 3.14 = 10 × 3.14 = 31.4 cm
ポイント: 円柱の 側面は、開いて みる と 意外と 「長方形」 です。よこの 長さは 円周= 直径 × 3.14 で 求めます。
4. 体積の 意味
体積とは、立体の 「かさ」= その 立体が 空間を どれだけ しめて いるか を 表す 数 です。
面積の ときは 「1 cm² の 正方形が 何こ 分 か」で 広さを 表しました。体積も 同じ ように、「1 辺が 1 cm の 立方体が 何こ 分 か」で かさを 表します。
1 cm の 立方体(単位 の 大きさ):
┌────┐
╱ ╱│
╱ ╱ │ 1 cm
┌────┐ │
│ │ │
│ │ ╱ 1 cm
│ │ ╱
└────┘
1 cm
この 立方体 1 個 の かさ = 1 cm³
この 1 辺 1 cm の 立方体 1 こ 分の かさ を 1 立方センチメートル(1 cm³)と 言います。読み方は 「いち りっぽう センチメートル」。
つみ重ねて 数える
直方体 の 中に、1 cm³ の 立方体が 何こ 入るか、つみ重ねて 数えて みましょう。
たて 2 cm、よこ 3 cm、高さ 2 cm の 直方体:
下の 段(1 段 目): 上の 段(2 段 目):
┌─┬─┬─┐ ┌─┬─┬─┐
│1│2│3│ │1│2│3│
├─┼─┼─┤ ├─┼─┼─┤
│4│5│6│ │4│5│6│
└─┴─┴─┘ └─┴─┴─┘
1 段 = 2 × 3 = 6 こ
2 段 ある → 6 × 2 = 12 こ
体積 = 12 cm³
1 段 に 2 × 3 = 6 こ、それが 2 段なので 6 × 2 = 12 こ。つまり、
これが、つぎの 直方体 の 体積の 公式に つながります。
5. 直方体・立方体の 体積
直方体の 体積
1 段 の こ 数 は たて × よこ、段の 数 は 高さ(cm 単位)。だから、
例題 1: たて 4 cm、よこ 5 cm、高さ 3 cm の 直方体の 体積は?
立方体の 体積
立方体は たて = よこ = 高さ。すべて 同じ 長さ(1 辺)なので、
例題 2: 1 辺が 6 cm の 立方体の 体積は?
底面の 面積 × 高さ という 見方
直方体を「四角柱」として 見ると、たて × よこ は 底面(長方形)の 面積に なって います。つまり、
この「底面の 面積 × 高さ」という 考え方は、6 年生で 学ぶ 角柱や 円柱の 体積 に そのまま つながります。今は 直方体・立方体 の 公式 を しっかり 使える ように しましょう。
ポイント:長さの 単位は そろえる。たてが cm、よこが m、高さが mm… の ように バラバラ だと 計算 できません。ぜんぶ cm か、ぜんぶ m に そろえて から かけ算 します。
6. 大きな 体積の 単位 — 立方メートル
1 m³ って どれくらい?
とても 大きな ものの 体積 を cm³ で 表すと、数字が 大きく なりすぎます。そこで、もっと 大きな 単位立方メートル(m³)を 使います。
1 m³ は、1 辺 が 1 m の 立方体 1 こ 分の かさ。身長 くらい の 大きな サイコロ を 思い浮かべて ください。
cm³ と m³ の 関係
1 m = 100 cm なので、1 m³ は どれくらい か 計算 して みましょう。
1 辺 1 m の 立方体
= 1 辺 100 cm の 立方体
1 m³ = 1,000,000 cm³(100 万 cm³)。予想 より ずっと 大きい ですね。
| 単位 | 大きさ |
|---|---|
| 1 cm³ | 1 辺 1 cm の 立方体 |
| 1 m³ | 1 辺 1 m の 立方体 = 1,000,000 cm³ |
7. L(リットル)と の 関係
水 や ジュース の かさ を 表す L(リットル)は、2 年生で 学んだ 単位 です。じつは これも 体積の 単位 の 仲間 で、cm³ や m³ と 対応 して います。
大事な 関係:
これは、1 辺 10 cm の 立方体の 体積 と ちょうど 同じ 大きさ です。
さらに、1 kL(キロリットル)は 1 L の 1000 倍、つまり 1,000,000 cm³。これは 1 m³ と 同じです。
| 体積の 単位 | かさの 単位 |
|---|---|
| 1 cm³ | 1 mL(1 ミリリットル) |
| 1,000 cm³ | 1 L |
| 1 m³ | 1 kL |
ポイント: 牛にゅう パック 1 L = 1,000 cm³、水 そう 1 m³ = 1 kL = 1,000 L の 2 つは、生活 の 中で よく 出てくる 大事な 関係 です。
例題 3:水そう の 中が、たて 50 cm、よこ 80 cm、高さ 40 cm。いっぱい に なった とき の 水 は 何 L?
体積 = 50 × 80 × 40 = 160,000 cm³。
L に 直すには 1,000 で わる:
8. 複合立体の 体積
2 つ 以上 の 直方体が 組み合わさった 形 でも、面積の ときと 同じ 考え方で 求められます。
分けて 足す
L 字型 の 直方体 を 上 から 見た 図:
┌────────┐
│ ① │ ← ① と ② の 2 つの
│ │ 直方体に 分ける
├────┬───┘
│ ② │
│ │
└────┘
体積 = ① の 体積 + ② の 体積
大きいから 引く
中に 穴 が あいた 直方体:
┌────────┐
│ │ ← 大きな 直方体 から
│ ┌──┐ │ 中の 小さな 直方体 を
│ │ │ │ 引く
│ └──┘ │
└────────┘
体積 = 大きい 直方体 − 中の 直方体
例題 4: L 字型 の 直方体。下 の 部分は たて 6 cm、よこ 10 cm、高さ 4 cm。上 の 出っぱり は たて 6 cm、よこ 4 cm、高さ 3 cm。全体の 体積は?
- 下 の 直方体 … 6 × 10 × 4 = 240 cm³
- 上 の 直方体 … 6 × 4 × 3 = 72 cm³
- 合計 … 240 + 72 = 312 cm³
やってみよう: たて 20 cm、よこ 30 cm、高さ 15 cm の 直方体の 中に、たて 10 cm、よこ 10 cm、高さ 15 cm の 直方体の 穴が あいて います。のこった 部分 の 体積 は 何 cm³?
答え: 20 × 30 × 15 − 10 × 10 × 15 = 9,000 − 1,500 = 7,500 cm³
9. つまずきやすい ポイント
① 単位が そろって いない
たて 50 cm、よこ 2 m、高さ 30 cm
この まま 50 × 2 × 30 = 3,000 と する と まちがい。2 m = 200 cm に そろえて、
と します。
② cm³ と m³ を 混同する
1 m³ は 1,000,000 cm³(100 万)。「1 m³ = 100 cm³」や「1 m³ = 1,000 cm³」は まちがい です。長さ(1 m = 100 cm)や 面積(1 m² = 10,000 cm²)と 混同 し やすい ので 注意。
③ 体積 と 面積 の 単位 を 取りちがえる
面積 は cm²・m²、体積 は cm³・m³。答えを 書く とき、上 の 小さな 数字(指数)が ² なのか ³ なのか を しっかり 確認 しましょう。
まとめ
- 角柱は 底面が 多角形・側面が 長方形 の 立体(三角柱・四角柱・五角柱…)
- 円柱は 底面が 円・側面が 丸まった 長方形 の 立体
- 直方体・立方体 は 四角柱 の 仲間
- 角柱の 頂点 は 底面 の 角 × 2、辺 は 底面 の 辺 × 3、面 は 底面 の 辺 + 2
- 円柱の 展開図 は、側面が 長方形。よこ = 底面の 円周 = 直径 × 3.14
- 体積は 1 cm³ の 立方体 が 何こ 分 か で 表す
- 直方体の 体積 = たて × よこ × 高さ
- 立方体の 体積 = 1 辺 × 1 辺 × 1 辺
- 直方体の 体積 = 底面の 面積 × 高さ(6 年生で 角柱・円柱に 拡張)
- 立方センチメートル(cm³)と 立方メートル(m³)の 関係:1 m³ = 1,000,000 cm³
- L との 関係:1 L = 1,000 cm³、1 kL = 1 m³
- 複合立体は 分けて 足すか 大きいから 引くで 求める
- 単位は そろえる(cm なら ぜんぶ cm)。体積 は ³ 付きの 単位 で 書く
次の 章: いよいよ 5 年生の 算数 の 後半戦、割合・百分率・速さの せかい です。「50 円 の 品物 が 2 割引き で いくら?」「時速 60 km で 3 時間進むと 何 km?」 といった 生活の 場面で 活躍 する 考え方 を 身に つけましょう。