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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-200|250|100) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-800|-350|400) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 7s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -600 -600 300 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -600 -600 300 ) = ( -200 -200 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -200 250 100 ) +t ( -200 -200 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 7 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -200 250 100 ) +7 ( -200 -200 100 ) = ( -1600 -1150 800 ) , also im Punkt P(-1600|-1150|800).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|10|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-120|130|100) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 8s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -120 120 60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -120 120 60 ) = ( -40 40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 10 40 ) +t ( -40 40 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 0 10 40 ) +8 ( -40 40 20 ) = ( -320 330 200 ) , also im Punkt P(-320|330|200).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(0|10|40) nach P(-320|330|200) bewegt, also um den Vektor AP = ( -320 320 160 ) . Dessen Länge ist (-320) 2 + 3202 + 160 2 = 230400 = 480m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|-200|100) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (400|-350|200) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 300 -150 100 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 300 2 + (-150)2 + 100 2 = 122500 = 350.
Die Geschwindigkeit ist also v=350 m s = 1260 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-150|-100|150) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-550|300|350) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 2150m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -400 400 200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -400 400 200 ) = ( -200 200 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -150 -100 150 ) +t ( -200 200 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 100m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 150 auf 2150m (also 2000m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2000 100 s = 20s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-30|10) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 324km/h in Richtung des Punktes B (-220|-150|40) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 324000 m 3600 s = 90 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -240 -120 30 ) ist (-240) 2 + (-120)2 + 30 2 = 72900 = 270 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 90 m s . braucht er für diese Strecke 270 90 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|20|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-110|90|60) angelangt.
Welche (absolute) Höhe hat das Flugzeug, wenn es 6,6 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 s den Vektor AB = ( -60 70 60 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -50 20 0 ) +t ( -60 70 60 ) beschreibt also den Ortsvektor zu dem Punkt, an dem sich das Bewegungsobjekt nach t s befindet.
Dieser Richtungsvektor (der in 1 s zurückgelegt wird) hat die Länge = (-60) 2 + 702 + 60 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m s
Für die Strecke von 6.6 km braucht es also 6600 110 s = 60s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 20 0 ) +60 ( -60 70 60 ) = ( -3650 4220 3600 ) , also im Punkt P(-3650|4220|3600).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 3600 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -2 7 -2 ) +t ( -5 -6 8 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (16|33|-20) . Nach 4min ist es im Punkt B (-8|9|12) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 4min den Vektor AB = ( -24 -24 32 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -24 -24 32 ) = ( -6 -6 8 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 16 33 -20 ) +t ( -6 -6 8 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( -2 7 -2 ) +2 ( -5 -6 8 ) = ( -12 -5 14 ) ; F2 an der Stelle P2 ( 16 33 -20 ) +2 ( -6 -6 8 ) = ( 4 21 -4 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-12|-5|14) und P2(4|21|-4):
P1P2 = ( 4-( - 12 ) 21-( - 5 ) -4-14 ) = ( 16 26 -18 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 16 26 -18 ) | = 16 2 + 262 + (-18) 2 = 1256 ≈ 35.440090293339

Der Abstand ist also ca. 35.44 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-25|58|1,2) . Nach 5s ist sie im Punkt B (0|43|2,7) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -6 -3 0,6 ) +t ( 2 5 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 5s den Vektor AB = ( 25 -15 1.5 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( 25 -15 1.5 ) = ( 5 -3 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -25 58 1.2 ) +t ( 5 -3 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 +1,2 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,6 |:0,1
t = 6

nach 6 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,46 +0,6 = 3 = 0,36 +1,2


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (9|38|0) . Nach 5s ist sie im Punkt B (-1|-2|2) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -7 -8 1 ) +t ( 4 10 0,3 ) . (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.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 5s den Vektor AB = ( -10 -40 2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( -10 -40 2 ) = ( -2 -8 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 9 38 0 ) +t ( -2 -8 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.

( -7 -8 1 ) +s ( 4 10 0.3 ) = ( 9 38 0 ) +t ( -2 -8 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-7+4s= 9-2t-8+10s= 38-8t

4s +2t = 16 (I) 10s +8t = 46 (II)
4s +2t = 16 (I) 10s +8t = 46 (II)

langsame Rechnung einblenden5·(I) -2·(II)

4s 2t = 16 (I) ( 20 -20 )s +( 10 -16 )t = ( 80 -92 ) (II)
4s +2t = 16 (I) -6t = -12 (II)
Zeile (II): -6t = -12

t = 2

eingesetzt in Zeile (I):

4s +2·(2 ) = 16 | -4
4 s = 12 | : 4

s = 3

L={(3 |2 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 3s und die Seilbahngondel nach 2s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 3s bei ( -7 -8 1 ) +3 ( 4 10 0.3 ) = ( 5 22 1.9 ) , während die Seilbahngondel nach 2s bei ( 9 38 0 ) +2 ( -2 -8 0.4 ) = ( 5 22 0.8 ) ist.

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

1.9 - 0.8 = 1.1 m

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-50|30) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (310|110|190) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 9min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 280 160 160 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 280 160 160 ) = ( 70 40 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 -50 30 ) +t ( 70 40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 9 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 30 -50 30 ) +9 ( 70 40 40 ) = ( 660 310 390 ) , also im Punkt P(660|310|390).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|-50|30) nach P(660|310|390) bewegt, also um den Vektor AP = ( 630 360 360 ) . Dessen Länge ist 630 2 + 3602 + 360 2 = 656100 = 810m.

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|100|50) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1980km/h in Richtung des Punktes B (3300|-2600|2750) (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= 1980000 m 3600 s = 550 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 3150 -2700 2700 ) ist 3150 2 + (-2700)2 + 2700 2 = 24502500 = 4950 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 550 m s . braucht er für diese Strecke 4950 550 s = 9s.
Punkt B wird als nach 9s erreicht.