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ESPACE ET GÉOMÉTRIE

Géométrie dans l'espace

Niveau 3ᵉ · Cours

🔁 Ce que tu sais déjà

🎯 À la fin de ce chapitre, je sais : calculer l'aire d'une sphère et le volume d'une boule · calculer le volume de solides assemblés · déterminer la nature d'une section plane d'un solide · me repérer sur une sphère grâce à la latitude et à la longitude · utiliser l'effet d'un agrandissement ou d'une réduction sur les longueurs, les aires et les volumes.

Depuis la 5e, tu sais calculer le volume d'un pavé droit et d'un cylindre ; depuis la 4e, celui d'une pyramide et d'un cône. Ces formules vont resservir tout le chapitre, notamment pour les solides assemblés (silo, cornet de glace…).

✏️ Exemple

Formules de volume à mobiliser :

• pavé droit : V = L × l × h ; cube : V = c³ ;

• cylindre : V = π × r² × h ;

• pyramide et cône : V = aire de la base × h ÷ 3.

✏️ Exemple

Un cylindre de rayon 3 cm et de hauteur 7 cm :

V = π × 3² × 7 = 63π cm³ (valeur exacte),

V ≈ 197,9 cm³ (valeur approchée au dixième).

📌 À retenir

Un volume se mesure en unités cubes (cm³, m³…) ; 1 L = 1 dm³.

Le théorème de Pythagore (4e) va resservir : il donnera le rayon d'une section de sphère.

🌍 Sphère et boule

Un ballon de baudruche : tout est dans l'enveloppe, l'intérieur n'est que de l'air — c'est une sphère. Une bille de verre : elle est pleine — c'est une boule. La Terre elle-même est une boule, et sa surface (là où nous marchons) est une sphère.

📖 Définition

La sphère de centre O et de rayon r est l'ensemble des points situés EXACTEMENT à la distance r de O : c'est une surface.

La boule de centre O et de rayon r est l'ensemble des points situés à une distance inférieure ou égale à r : c'est un solide plein.

Aire de la sphère : A = 4 × π × r². Volume de la boule : V = 4/3 × π × r³.

✏️ Exemple

Méthode pour une sphère et une boule de rayon 5 cm :

1) Aire : A = 4 × π × 5² = 100π cm² (valeur exacte), A ≈ 314,2 cm² (valeur approchée).

2) Volume : V = 4/3 × π × 5³ = 500/3 π cm³ (valeur exacte), V ≈ 523,6 cm³.

« Valeur exacte » = on garde π dans l'écriture ; « valeur approchée » = on arrondit.

✏️ Exemple

Solides assemblés — un cornet de glace : cône de hauteur 10 cm et de rayon 3 cm, surmonté d'une demi-boule de rayon 3 cm.

1) V(cône) = π × 3² × 10 ÷ 3 = 30π cm³.

2) V(demi-boule) = 4/3 × π × 3³ ÷ 2 = 18π cm³.

3) V(total) = 30π + 18π = 48π ≈ 150,8 cm³ : on ADDITIONNE les volumes exacts, on n'arrondit qu'à la fin.

⚠️
Pièges classiques
  • Rayon ou diamètre ? Une boule de DIAMÈTRE 10 cm a un rayon de 5 cm : divise par 2 avant d'appliquer la formule.
  • Aire (4πr², avec un CARRÉ, en cm²) et volume (4/3 πr³, avec un CUBE, en cm³) : ne mélange pas les deux formules.
  • Contre-exemple troublant : pour r = 3, l'aire vaut 36π cm² et le volume vaut aussi 36π… mais en cm³ ! L'unité fait la différence.
📌 À retenir

A(sphère) = 4 × π × r² : une AIRE, en unités carrées.

V(boule) = 4/3 × π × r³ : un VOLUME, en unités cubes.

Solides assemblés : j'additionne (ou je soustrais) les volumes exacts, et j'arrondis à la toute fin.

❓ Quiz — Sphère et boule

Question 1 — Quelle est l'aire exacte d'une sphère de rayon 3 cm ?

Question 2 — Quel est le volume exact d'une boule de rayon 5 cm ?

Question 3 — Le solide PLEIN s'appelle…

🔪 Sections planes de solides

Coupe une plaquette de beurre bien droit : la trace du couteau est un rectangle. Coupe un saucisson perpendiculairement : un disque. Coupe une orange : un cercle apparaît. Cette surface plane qui apparaît quand on coupe un solide s'appelle la section.

📖 Définition

La section d'un solide par un plan est la surface plane obtenue en coupant le solide par ce plan. On la dessine en vraie grandeur à côté de la perspective cavalière du solide.

✏️ Exemple

Nature de la section, solide par solide :

• pavé droit ou cube coupé parallèlement à une face → un rectangle (ou carré) identique à cette face ;

• pavé droit coupé parallèlement à une arête → un rectangle ;

• cylindre coupé perpendiculairement à son axe → un disque de même rayon que la base ; parallèlement à son axe → un rectangle ;

• pyramide ou cône coupé parallèlement à sa base → une RÉDUCTION de la base ;

• sphère coupée par un plan → un cercle.

✏️ Exemple

Méthode : rayon de la section d'une sphère de rayon 5 cm par un plan situé à 3 cm du centre.

1) La section est un cercle, de rayon r à déterminer.

2) Le rayon de la sphère (5 cm), la distance du centre au plan (3 cm) et r forment un triangle rectangle.

3) Pythagore : r² = 5² − 3² = 25 − 9 = 16, donc r = 4 cm.

⚠️
Pièges classiques
  • La section d'une sphère est un cercle PLUS PETIT que le grand cercle… sauf si le plan passe par le centre : là seulement, c'est un grand cercle.
  • Contre-exemple : une section de rayon 7 cm sur une sphère de rayon 5 cm est impossible (le rayon de section ne dépasse jamais celui de la sphère).
  • Si le plan est à une distance égale au rayon, la section se réduit à un point : le plan est tangent à la sphère.
📌 À retenir

Parallèle à une face → copie de la face ; parallèle à la base d'un cône ou d'une pyramide → réduction de la base ; sphère → cercle.

Rayon d'une section de sphère : Pythagore avec le rayon de la sphère et la distance du centre au plan.

❓ Quiz — Sections planes

Question 1 — On coupe un cube par un plan parallèle à une face. La section est…

Question 2 — Quand la section d'une sphère est-elle un grand cercle ?

Question 3 — Une sphère de rayon 10 cm est coupée par un plan à 8 cm du centre. Le rayon de la section vaut…

🧭 Latitude et longitude

Comment donner un rendez-vous au milieu de l'océan, sans aucune rue ni panneau ? Avec deux angles : c'est exactement ce que fait ton GPS. Sur la sphère terrestre, deux nombres suffisent pour repérer n'importe quel point.

📖 Définition

Les méridiens sont des demi-cercles qui relient les deux pôles ; le méridien de Greenwich sert d'origine. Les parallèles sont des cercles parallèles à l'équateur.

La latitude (de 0° à 90°, Nord ou Sud) donne la position par rapport à l'équateur ; la longitude (de 0° à 180°, Est ou Ouest) donne la position par rapport au méridien de Greenwich.

Un point de la sphère est repéré par le couple (latitude ; longitude).

✏️ Exemple

Méthode de lecture : Paris (49° N ; 2° E).

1) Latitude 49° N : depuis l'équateur, je monte de 49° vers le pôle Nord → je trouve le parallèle de Paris.

2) Longitude 2° E : depuis le méridien de Greenwich, je tourne de 2° vers l'est → je trouve le méridien de Paris.

3) Le point est au croisement du parallèle et du méridien. Autre exemple : Sydney (34° S ; 151° E) est dans l'hémisphère SUD, loin à l'est.

⚠️
Pièges classiques
  • L'ordre compte : latitude d'abord (N ou S), longitude ensuite (E ou O). Ne les échange pas !
  • Tous les méridiens sont des grands cercles (avec leur méridien opposé), mais UN SEUL parallèle en est un : l'équateur. Contre-exemple : le parallèle 40° N est nettement plus petit que l'équateur.
  • Deux villes de même longitude sont sur le même méridien… mais peuvent être très éloignées (Stockholm et Le Cap !).
📌 À retenir

(latitude ; longitude) : latitude N/S lue sur les parallèles, longitude E/O lue sur les méridiens.

Grands cercles de la sphère terrestre : l'équateur et les méridiens.

❓ Quiz — Latitude et longitude

Question 1 — Sydney a pour coordonnées (34° S ; 151° E). Où se trouve la ville ?

Question 2 — La latitude d'un point indique sa position par rapport…

Question 3 — Lequel de ces cercles est un grand cercle de la Terre ?

📏 Agrandissement et réduction : k, k², k³

Une maquette d'immeuble à l'échelle 1/300 : chaque longueur est 300 fois plus petite. Mais la surface au sol, elle, est 90 000 fois plus petite, et le volume… 27 millions de fois plus petit ! Longueurs, aires et volumes ne rétrécissent pas à la même vitesse.

📖 Définition

Lors d'un agrandissement ou d'une réduction de rapport k : les longueurs sont multipliées par k, les aires par k², les volumes par k³.

Si k > 1, c'est un agrandissement ; si k < 1, c'est une réduction.

✏️ Exemple

Méthode : un immeuble de 24 m de long, 12 m de large et 15 m de haut, en maquette au 1/300.

1) Longueurs ÷ 300 : la maquette mesure 8 cm × 4 cm × 5 cm.

2) Aires ÷ 300² = 90 000 : la surface au sol passe de 288 m² à 32 cm².

3) Volumes ÷ 300³ = 27 000 000 : le volume passe de 4 320 m³ à 160 cm³.

✏️ Exemple

Lien avec les sections : un cône coupé parallèlement à sa base aux 8/10 de sa hauteur donne un petit cône.

C'est une réduction de rapport k = 0,8 : les rayons sont multipliés par 0,8, et le volume par 0,8³ = 0,512.

⚠️
Piège classique : tout multiplier par k
  • Doubler les longueurs ne double PAS le volume : il est multiplié par 2³ = 8.
  • Contre-exemple : croire qu'une maquette au 1/300 a une surface 300 fois plus petite — elle est 300² = 90 000 fois plus petite.
  • Avant de multiplier, je me demande : est-ce une longueur (k), une aire (k²) ou un volume (k³) ?
📌 À retenir

Longueurs × k ; aires × k² ; volumes × k³.

Dans l'autre sens : si les volumes sont multipliés par k³, je retrouve k avec la racine cubique (et k² pour les aires).

❓ Quiz — Agrandissement, réduction

Question 1 — On double toutes les longueurs d'un solide. Son volume est multiplié par…

Question 2 — Dans un agrandissement de rapport k = 3, les aires sont multipliées par…

Question 3 — Une maquette est à l'échelle 1/100. Le volume réel est plus grand que celui de la maquette…

🏆
Cours terminé !

Ton mémo complet est dans l’encadré « Mémo ». Prêt·e pour les défis ?

📌 Mémo
🌍 Sphère et boule
  • Sphère = surface ; boule = solide plein
  • Aire de la sphère : A = 4 × π × r²
  • Volume de la boule : V = 4/3 × π × r³
  • Assemblages : j'additionne les volumes exacts

r = 5 : A = 100π cm² ; V = 500/3 π cm³

🔪 Sections planes
  • Parallèle à une face → copie de la face
  • Cylindre ⊥ axe → disque ; ∥ axe → rectangle
  • Cône/pyramide ∥ base → réduction de la base
  • Sphère → cercle (Pythagore pour le rayon)

R = 5, à 3 du centre : r² = 25 − 9 → r = 4

🧭 Latitude, longitude
  • Un point = (latitude ; longitude)
  • Latitude N/S : depuis l'équateur (parallèles)
  • Longitude E/O : depuis Greenwich (méridiens)
  • Grands cercles : équateur + méridiens

Paris (49° N ; 2° E) — Sydney (34° S ; 151° E)

📏 k, k², k³
  • Longueurs × k
  • Aires × k²
  • Volumes × k³
  • k > 1 : agrandissement ; k < 1 : réduction

Longueurs × 2 → aires × 4 → volumes × 8

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