Volumes 5ème : cube, pavé, prisme et cylindre

Les volumes en 5ème mesurent l'espace occupé par un solide. Cube, pavé droit, prisme et cylindre semblent demander des formules différentes, mais une même idée les relie : empiler des couches identiques dont l'aire est celle de la base.

Le cours part de cette idée unificatrice, puis traite les unités cubiques, le lien avec les litres et les problèmes inverses où une hauteur ou un rayon doit être retrouvé.

Le volume compte des unités cubiques

Unité de volume

Un centimètre cube, noté cm3\text{cm}^3, est le volume d'un cube de 11 cm de côté. Mesurer un volume revient à déterminer combien d'unités cubiques remplissent le solide sans trou ni chevauchement.

Une aire décrit une surface en deux dimensions ; un volume décrit un espace en trois dimensions. L'exposant 33 dans l'unité rappelle les trois directions de mesure.

Une formule commune : aire de base fois hauteur

Volume obtenu par empilement de bases
Des couches de même aire BB sont empilées sur une hauteur hh.

Volume d’un prisme droit ou d’un cylindre

V=B×h,ouˋ B est l’aire d’une base.V=B\times h, \quad\text{où }B\text{ est l'aire d'une base.}

La hauteur hh est la distance perpendiculaire entre les deux bases. La formule exige donc d'identifier correctement la base et de calculer son aire avant de multiplier.

Cube et pavé droit

SolideAire de baseHauteurVolume
Cube de côté ccc2c^2ccc3c^3
Pavé L××hL\times\ell\times hL×L\times\ellhhLhL\ell h
V=8×3,5×2=56 cm3.V=8\times3{,}5\times2 =56\ \text{cm}^3.

Les trois dimensions doivent être exprimées dans la même unité. L'ordre longueur-largeur-hauteur ne change pas le produit, mais écrire les unités à chaque donnée évite de multiplier des mètres par des centimètres.

Prisme à base triangulaire

Un prisme a une base triangulaire de base 66 cm et de hauteur 44 cm. La hauteur du prisme est 1010 cm. On calcule d'abord l'aire du triangle, puis le volume.

B=6×42=12 cm2,V=12×10=120 cm3.\begin{aligned} B&=\frac{6\times4}{2}=12\ \text{cm}^2,\\ V&=12\times10=120\ \text{cm}^3. \end{aligned}

Deux hauteurs différentes interviennent : la hauteur du triangle pour calculer BB, puis la hauteur du prisme pour calculer VV. Les nommer empêche de les confondre.

Cylindre de révolution

La base du cylindre est un disque de rayon rr, donc B=πr2B=\pi r^2. Le volume est :

V=πr2h.V=\pi r^2h.

Pour r=3r=3 cm et h=8h=8 cm, le volume exact vaut 72πcm372\pi\,\text{cm}^3, soit environ 226,2cm3226,2\,\text{cm}^3 avec π3,14\pi\approx3,14.

Erreur fréquente : si le diamètre est donné, il faut le diviser par 22 avant de calculer r2r^2. Utiliser le diamètre à la place du rayon multiplie l'aire de base par 44.

Convertir des unités cubiques

ÉgalitéExplication
1m3=1000dm31\,\text{m}^3=1\,000\,\text{dm}^310310^3 petits cubes
1dm3=1000cm31\,\text{dm}^3=1\,000\,\text{cm}^310310^3 petits cubes
1cm3=1000mm31\,\text{cm}^3=1\,000\,\text{mm}^310310^3 petits cubes

Deux unités cubiques consécutives diffèrent d'un facteur 10001\,000, car chaque longueur est multipliée par 1010 dans trois directions : 10×10×10=100010\times10\times10=1\,000.

Ainsi 2,4dm3=2400cm32,4\,\text{dm}^3=2\,400\,\text{cm}^3, et 750000cm3=0,75m3750\,000\,\text{cm}^3=0,75\,\text{m}^3.

Erreur fréquente : une conversion de volume ne suit ni le facteur 1010 des longueurs ni le facteur 100100 des aires, mais le facteur 10001\,000.

Relier volume et capacité

Correspondances avec les litres

1 L=1 dm3,1 mL=1 cm3.1\ \text{L}=1\ \text{dm}^3, \qquad 1\ \text{mL}=1\ \text{cm}^3.

Un récipient de 2500cm32\,500\,\text{cm}^3 a donc une capacité de 25002\,500 mL, soit 2,52,5 L. Cette correspondance suppose que les dimensions intérieures du récipient ont été utilisées.

Retrouver une hauteur à partir du volume

Un prisme a un volume de 180cm3180\,\text{cm}^3 et une base d'aire 24cm224\,\text{cm}^2. Comme V=BhV=Bh, sa hauteur vaut :

h=VB=18024=7,5 cm.h=\frac{V}{B} =\frac{180}{24} =7{,}5\ \text{cm}.

L'unité confirme le raisonnement : diviser des centimètres cubes par des centimètres carrés donne des centimètres. Les équations simples apportent une autre façon de justifier cette opération inverse.

Organiser un problème de volume

  1. Identifier le solide et choisir une base.
  2. Convertir toutes les longueurs dans la même unité.
  3. Calculer l'aire BB de la base avec l'unité carrée.
  4. Multiplier par la hauteur du solide.
  5. Exprimer le résultat en unité cubique et convertir si nécessaire.

La représentation et le vocabulaire des bases sont développés dans Prismes droits et cylindres 5ème. Les formules d'aires utilisées pour BB se trouvent dans Aires et conversions 5ème.

Astuce : écrire une ligne séparée pour l'aire de base. Elle empêche de mélanger la hauteur d'une base triangulaire avec la hauteur du solide.

Aquarium : du volume intérieur aux litres

Un aquarium intérieur mesure 6060 cm de longueur, 3030 cm de largeur et 4040 cm de hauteur. Son volume maximal est 60×30×40=72000cm360\times30\times40=72\,000\,\text{cm}^3, soit 7272 L.

S'il n'est rempli qu'à 3535 cm de hauteur, le volume d'eau devient 60×30×35=63000cm3=6360\times30\times35=63\,000\,\text{cm}^3=63 L. La hauteur utile est celle de l'eau, pas celle de la cuve.

Dans une situation réelle, le décor et l'épaisseur des parois réduisent encore la capacité disponible. Le calcul mathématique précise les dimensions supposées.

Comparer un prisme et un cylindre de même hauteur

Un prisme a une base d'aire 50cm250\,\text{cm}^2 et un cylindre un rayon de 44 cm. Les deux solides ont une hauteur de 1010 cm.

Vprisme=50×10=500 cm3,Vcylindre=160π502,7 cm3.V_{\text{prisme}}=50\times10=500\ \text{cm}^3, \qquad V_{\text{cylindre}}=160\pi\approx502{,}7\ \text{cm}^3.

Les volumes sont proches parce que l'aire du disque, 16π50,27cm216\pi\approx50,27\,\text{cm}^2, est proche de 50cm250\,\text{cm}^2. À hauteur égale, comparer les volumes revient à comparer les aires de base.

Volumes 5ème : l’essentiel à retenir

Les volumes en 5ème se ramènent à V=B×hV=B\times h. Cube et pavé utilisent une base carrée ou rectangulaire, le prisme une base polygonale et le cylindre un disque. Les conversions suivent un facteur 10001\,000 entre unités cubiques successives.

Le programme officiel de mathématiques du cycle 4 relie ces calculs à la représentation des solides, aux aires et aux capacités usuelles.