Troisième

Volume - espace

Calculer un volume commence par une lecture attentive du solide. Il faut identifier la base, la hauteur perpendiculaire à cette base et, pour les solides ronds, le rayon.

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Reconnaître les solides et leurs mesures

Calculer un volume commence par une lecture attentive du solide. Il faut identifier la base, la hauteur perpendiculaire à cette base et, pour les solides ronds, le rayon.

Solide, face, arête et sommet

Un solide occupe une portion de l'espace. Un polyèdre est délimité par des faces planes. Les côtés de ces faces sont ses arêtes et leurs extrémités sont ses sommets.

Un pavé droit et une pyramide sont des polyèdres. Un cylindre, un cône et une boule possèdent des surfaces courbes.

Prisme droit et cylindre

Un prisme droit possède deux bases polygonales identiques et parallèles. Ses autres faces sont des rectangles. Un cylindre possède deux disques identiques et parallèles. Dans les deux cas, la hauteur est la distance perpendiculaire entre les deux bases.

Pyramide et cône

Une pyramide possède une base polygonale et des faces latérales triangulaires qui se rejoignent en un sommet. Un cône possède une base circulaire et un sommet. Leur hauteur est le segment perpendiculaire à la base passant par le sommet.

Repérer la vraie hauteur

La hauteur n'est pas toujours une arête visible. On cherche un segment perpendiculaire au plan de la base. Sur un dessin en perspective, il peut être représenté en pointillés.

Rayon ou diamètre ?

Dans les formules avec $\pi,$ on utilise le rayon. Si l'énoncé donne un diamètre $d,$ il faut d'abord calculer $r=\dfrac{d}{2}.$

Formules de volume

Les formules ne sont pas une liste isolée : elles s'organisent autour de l'aire de la base. Cette structure permet de les retrouver plus facilement.

Schéma des solides usuels et de leurs formules de volume
Le même réflexe revient partout : identifier la base et la hauteur. Pour une pyramide ou un cône, le volume correspondant est ensuite divisé par 3.

Prisme droit et cylindre

Pour un prisme droit ou un cylindre :

$V=\text{aire de la base}\times\text{hauteur}.$

Pour un cylindre de rayon $r$ et de hauteur $h,$ la base est un disque d'aire $\pi r^2.$ Donc :

$V_{\text{cylindre}}=\pi r^2h.$

Pyramide et cône

Pour une pyramide ou un cône :

$V=\frac{\text{aire de la base}\times\text{hauteur}}{3}.$

Pour un cône de rayon $r$ et de hauteur $h$ :

$V_{\text{cône}}=\frac{\pi r^2h}{3}.$

Boule

Le volume d'une boule de rayon $r$ est :

$V_{\text{boule}}=\frac{4}{3}\pi r^3.$

Cette fois, on ne multiplie pas une aire de base par une hauteur : il faut connaître la formule.

Choisir la bonne formule

Avant de remplacer les nombres, on écrit toujours la formule littérale puis on identifie chaque mesure. Par exemple, pour un cylindre de rayon $4$ cm et de hauteur $7$ cm :

$V=\pi r^2h=\pi\times4^2\times7=112\pi\ \text{cm}^3.$

Volume exact puis valeur approchée

Le volume précédent vaut exactement $112\pi\ \text{cm}^3.$ Avec une calculatrice, on obtient environ :

$112\pi\approx351,9.$

On peut donc écrire $V\approx351,9\ \text{cm}^3.$ Une valeur exacte conserve $\pi$ ; une valeur approchée utilise le symbole $\approx.$

Le carré porte sur le rayon

Pour un cylindre, $V=\pi r^2h.$ Si $r=3$ et $h=5,$ on calcule $\pi\times3^2\times5=45\pi,$ et non $\pi\times3\times2\times5.$

Unités, conversions et patrons

Une réponse de volume doit être accompagnée d'une unité cubique. Les conversions demandent une attention particulière : changer d'unité de longueur ne produit pas le même facteur que changer d'unité de volume.

Unités de volume

Les unités usuelles sont $\text{mm}^3,$ $\text{cm}^3,$ $\text{dm}^3$ et $\text{m}^3.$ Comme $1\ \text{dm}=10\ \text{cm},$ on a :

$1\ \text{dm}^3=10^3\ \text{cm}^3=1\,000\ \text{cm}^3.$

Lien avec les litres

On retient :

  • $1\ \text{dm}^3=1\ \text{L}$ ;
  • $1\ \text{cm}^3=1\ \text{mL}$ ;
  • $1\ \text{m}^3=1\,000\ \text{L}$.

Convertir un volume

Quand on passe à l'unité de volume immédiatement plus petite, on multiplie par $1\,000.$ Quand on passe à l'unité immédiatement plus grande, on divise par $1\,000.$

Exemple : $2,4\ \text{dm}^3=2\,400\ \text{cm}^3.$

Patron d'un solide

Un patron est une figure plane qui permet de construire un solide par pliage. Le patron d'un prisme droit montre ses deux bases identiques et ses faces latérales rectangulaires. Déplier mentalement un solide aide à distinguer ses faces et à repérer ses dimensions.

Un cône de diamètre donné

Un cône a un diamètre de $8$ cm et une hauteur de $9$ cm. Son rayon vaut $4$ cm. Donc :

$V=\frac{\pi\times4^2\times9}{3}=48\pi\ \text{cm}^3.$

Unité finale

Une aire s'exprime en unités carrées, par exemple $\text{cm}^2.$ Un volume s'exprime en unités cubiques, par exemple $\text{cm}^3.$ Écrire seulement « cm » à la fin d'un calcul de volume est incorrect.

QCM du chapitre

  1. Question 1. Le volume d'un cylindre de rayon $3$ cm et de hauteur $5$ cm vaut :

    • A. $15\pi\ \text{cm}^3$
    • B. $30\pi\ \text{cm}^3$
    • C. $45\pi\ \text{cm}^3$
    • D. $75\pi\ \text{cm}^3$

    Réponse. C. $45\pi\ \text{cm}^3$

    Explication. On utilise $V=\pi r^2h=\pi\times3^2\times5=45\pi$.

  2. Question 2. Un cône a pour diamètre $10$ cm. Quel rayon faut-il utiliser ?

    • A. $20$ cm
    • B. $10$ cm
    • C. $5$ cm
    • D. $2,5$ cm

    Réponse. C. $5$ cm

    Explication. Le rayon est la moitié du diamètre.

  3. Question 3. Convertir $3,2\ \text{dm}^3$ en $\text{cm}^3$.

    • A. $32\ \text{cm}^3$
    • B. $320\ \text{cm}^3$
    • C. $3\,200\ \text{cm}^3$
    • D. $32\,000\ \text{cm}^3$

    Réponse. C. $3\,200\ \text{cm}^3$

    Explication. On multiplie par $1\,000$ en passant de $\text{dm}^3$ à $\text{cm}^3$.

  4. Question 4. Quelle égalité est correcte ?

    • A. $1\ \text{cm}^3=1\ \text{L}$
    • B. $1\ \text{dm}^3=1\ \text{L}$
    • C. $1\ \text{m}^3=1\ \text{L}$
    • D. $1\ \text{mm}^3=1\ \text{mL}$

    Réponse. B. $1\ \text{dm}^3=1\ \text{L}$

    Explication. Un litre correspond exactement à un décimètre cube.

Exercices guidés

Exercice 1. Calculer le volume d'un cône

Un cône de révolution a un diamètre de $12$ cm et une hauteur de $10$ cm. Calculer son volume exact, puis une valeur approchée au dixième.

  1. Étape 1. Trouver le rayon.

    Le rayon est la moitié du diamètre : $r=\dfrac{12}{2}=6\ \text{cm}.$

  2. Étape 2. Appliquer la formule.

    $V=\dfrac{\pi r^2h}{3}=\dfrac{\pi\times6^2\times10}{3}=120\pi\ \text{cm}^3.$

  3. Étape 3. Donner une valeur approchée.

    Avec la calculatrice, $120\pi\approx377,0.$ Donc $V\approx377,0\ \text{cm}^3.$

Exercice 2. Remplir un aquarium

Un aquarium en forme de pavé droit mesure $80$ cm de longueur, $35$ cm de largeur et $45$ cm de hauteur. Quel volume maximal d'eau peut-il contenir, en litres ?

  1. Étape 1. Calculer le volume en centimètres cubes.

    $V=80\times35\times45=126\,000\ \text{cm}^3.$

  2. Étape 2. Relier centimètres cubes et millilitres.

    Comme $1\ \text{cm}^3=1\ \text{mL},$ l'aquarium contient au maximum $126\,000$ mL.

  3. Étape 3. Convertir en litres.

    $126\,000\ \text{mL}=126\ \text{L}.$ L'aquarium peut contenir au maximum $126$ litres.

À retenir