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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|20|30) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (20|40|40) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 2s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB → = ( 20 20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 0 20 30 ) +t⋅ ( 20 20 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 2 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 0 20 30 ) +2⋅ ( 20 20 10 ) = ( 40 60 50 ) , also im Punkt P(40|60|50).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (-10|-40|20) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 11min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB → = ( 20 -20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -30 -20 10 ) +t⋅ ( 20 -20 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( -30 -20 10 ) +11⋅ ( 20 -20 10 ) = ( 190 -240 120 ) , also im Punkt P(190|-240|120).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|-20|10) nach P(190|-240|120) bewegt, also um den Vektor AP → = ( 220 -220 110 ) . Dessen Länge ist 220 2 + (-220)2 + 110 2 = 108900 = 330m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|-40|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-140|80|80) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB → = ( -180 120 40 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -180 120 40 ) = ( -90 60 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-90) 2 + 602 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m s = 396 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|-50|250) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (200|-150|300) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 800m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB → = ( 100 -100 50 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 100 -50 250 ) +t⋅ ( 100 -100 50 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 50m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 250 auf 800m (also 550m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 550 50 s = 11s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|-200|0) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 540km/h in Richtung des Punktes B (-400|-700|250) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 540000 m 3600 s = 150 m s .
Die Länge des Vektors AB → = ( -500 -500 250 ) ist (-500) 2 + (-500)2 + 250 2 = 562500 = 750 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 150 m s . braucht er für diese Strecke 750 150 s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (3|-12|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (51|36|-24) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 5,76 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB → = ( 48 48 -24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 48 48 -24 ) = ( 24 24 -12 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( 3 -12 0 ) +t⋅ ( 24 24 -12 ) beschreibt also den Ortsvektor zu dem Punkt, an dem sich das Bewegungsobjekt nach t min befindet.
Dieser Richtungsvektor (der in 1 min zurückgelegt wird) hat die Länge = 24 2 + 242 + (-12) 2 = 1296 = 36.
Die Geschwindigkeit ist also v=36 m min
Für die Strecke von 5.76 km braucht es also 5760 36 min = 160min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 3 -12 0 ) +160⋅ ( 24 24 -12 ) = ( 3843 3828 -1920 ) , also im Punkt P(3843|3828|-1920).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -1920 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 3 8 -2 ) +t⋅ ( -15 5 0 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (35|2|5) . Nach 3s ist sie im Punkt B (-10|20|-1) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 4s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 3s den Vektor AB → = ( -45 18 -6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -45 18 -6 ) = ( -15 6 -2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 35 2 5 ) +t⋅ ( -15 6 -2 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 4s an der Stelle P1 ( 3 8 -2 ) +4⋅ ( -15 5 0 ) = ( -57 28 -2 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 35 2 5 ) +4⋅ ( -15 6 -2 ) = ( -25 26 -3 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-57|28|-2) und P2(-25|26|-3):
P1P2 → = ( -25-( - 57 ) 26-28 -3-( - 2 ) ) = ( 32 -2 -1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 32 -2 -1 ) | = 32 2 + (-2)2 + (-1) 2 = 1029 ≈ 32.078029864691

Der Abstand ist also ca. 32.08 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-42|39|1,5) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-26|21|2,1) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -7 -10 0,6 ) +t⋅ ( 5 4 0,4 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Seilbahngondel und die Drohne auf gleicher Höhe?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB → = ( 16 -18 0.6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 16 -18 0.6 ) = ( 8 -9 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -42 39 1.5 ) +t⋅ ( 8 -9 0.3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Um den Zeitpunkt zu finden, wann beide die gleiche Höhe haben, muss einfach ein t gefunden werden, bei dem die x3-Koordinate bei beiden Gleichungen gleich groß ist, also:

0,4t +0,6 = 0,3t +1,5 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,9 |:0,1
t = 9

nach 9 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,4⋅9 +0,6 = 4.2 = 0,3⋅9 +1,5


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (80|-35|0,1) . Nach 3s ist sie im Punkt B (53|-41|1) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -5 3 0,9 ) +t⋅ ( 5 -6 0,1 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Es gibt einen Zeitpunkt, an dem die Drohne genau über der Seilbahn ist. Berechne den vertikalen Höhenunterschied zwischen Drohne und Seilbahn an dieser Stelle.

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Die Seilbahngondel legt in 3s den Vektor AB → = ( -27 -6 0.9 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -27 -6 0.9 ) = ( -9 -2 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 80 -35 0.1 ) +t⋅ ( -9 -2 0.3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Den scheinbaren Schnittpunkt der beiden Bewegungsbahnen, den man von direkt darüber oder direkt darunter sehen könnte, berechnet man indem man die x1- und x2-Koordinaten der beiden Geradengleichungen gleichsetzt.

( -5 3 0.9 ) +s⋅ ( 5 -6 0.1 ) = ( 80 -35 0.1 ) +t⋅ ( -9 -2 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-5+5s= 80-9t3-6s= -35-2t

5s +9t = 85 (I) -6s +2t = -38 (II)
5s +9t = 85 (I) -6s +2t = -38 (II)

langsame Rechnung einblenden6·(I) + 5·(II)

5s 9t = 85 (I) ( 30 -30 )s +( 54 +10 )t = ( 510 -190 ) (II)
5s +9t = 85 (I) +64t = 320 (II)
Zeile (II): +64t = 320

t = 5

eingesetzt in Zeile (I):

5s +9·(5 ) = 85 | -45
5 s = 40 | : 5

s = 8

L={(8 |5 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 8s und die Seilbahngondel nach 5s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 8s bei ( -5 3 0.9 ) +8⋅ ( 5 -6 0.1 ) = ( 35 -45 1.7 ) , während die Seilbahngondel nach 5s bei ( 80 -35 0.1 ) +5⋅ ( -9 -2 0.3 ) = ( 35 -45 1.6 ) ist.

Sie haben dort also die selben x1- und x2-Koordinaten, in der Höhe (x3-Koordinate) haben sie jedoch einen Unterschied von

1.7 - 1.6 = 0.1 m

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (38|13|-16) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (24|13|-8) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -8 9 1 ) +t⋅ ( -13 -1 8 ) . (alle Koordinaten in m; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn).
Wie weit sind der Heißluftballon und die Drohne nach 5min von einander entfernt?

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Der Heißluftballon legt in 1min den Vektor AB → = ( -14 0 8 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 38 13 -16 ) +t⋅ ( -14 0 8 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5min an der Stelle P1 ( -8 9 1 ) +5⋅ ( -13 -1 8 ) = ( -73 4 41 ) ; Der Heißluftballon an der Stelle P2 ( 38 13 -16 ) +5⋅ ( -14 0 8 ) = ( -32 13 24 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-73|4|41) und P2(-32|13|24):
P1P2 → = ( -32-( - 73 ) 13-4 24-41 ) = ( 41 9 -17 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 41 9 -17 ) | = 41 2 + 92 + (-17) 2 = 2051 ≈ 45.287967496897

Der Abstand ist also ca. 45.29 m.

Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 1 -4 1 ) +t⋅ ( -5 5 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-19|15|0) . Nach 4h ist er im Punkt B (-19|19|1,6) angelangt. Bei beiden soll angenommen werden, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn fortbewegen.
Die Partyheißluftballone sprühen einen pinken Farbstoff aus, so dass ihre Flugbahn noch einige Zeit später zu erkennen ist. Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen der Ballone. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

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Der Heißluftballon F2 legt in 4h den Vektor AB → = ( 0 4 1.6 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( 0 4 1.6 ) = ( 0 1 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -19 15 0 ) +t⋅ ( 0 1 0.4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Den scheinbaren Schnittpunkt der beiden Bewegungsbahnen, den man von direkt darüber oder direkt darunter sehen könnte, berechnet man indem man die x1- und x2-Koordinaten der beiden Geradengleichungen gleichsetzt.

( 1 -4 1 ) +s⋅ ( -5 5 0.3 ) = ( -19 15 0 ) +t⋅ ( 0 1 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

1-5s= -19+0t-4+5s= 15+1t

-5s = -20 (I) 5s -1t = 19 (II)
-5s = -20 (I) 5s -1t = 19 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) + 1·(II)

-5s = -20 (I) ( -5 +5 )s +(0 -1 )t = ( -20 +19 ) (II)
-5s = -20 (I) -1t = -1 (II)
Zeile (II): -1t = -1

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-5s = -20

s = 4

L={(4 |1 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 4h und der Heißluftballon F2 nach 1h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 4h bei ( 1 -4 1 ) +4⋅ ( -5 5 0.3 ) = ( -19 16 2.2 ) , während der Heißluftballon F2 nach 1h bei ( -19 15 0 ) +1⋅ ( 0 1 0.4 ) = ( -19 16 0.4 ) ist.

Sie haben dort also die selben x1- und x2-Koordinaten, in der Höhe (x3-Koordinate) haben sie jedoch einen Unterschied von

2.2 - 0.4 = 1.8 km