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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|40|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (230|220|130) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 12min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( 180 180 90 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 180 180 90 ) = ( 60 60 30 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 40 40 ) +t ( 60 60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 50 40 40 ) +12 ( 60 60 30 ) = ( 770 760 400 ) , also im Punkt P(770|760|400).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (270|140|170) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 10s seit seinem Start zurückgelegt?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -10 -20 10 ) +t ( 70 40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 10 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -10 -20 10 ) +10 ( 70 40 40 ) = ( 690 380 410 ) , also im Punkt P(690|380|410).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-10|-20|10) nach P(690|380|410) bewegt, also um den Vektor AP = ( 700 400 400 ) . Dessen Länge ist 700 2 + 4002 + 400 2 = 810000 = 900m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|0|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-80|-120|100) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -120 -120 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -120 -120 60 ) = ( -60 -60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-60) 2 + (-60)2 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-200|-50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-600|-850|100) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 1300m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -400 -800 100 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -400 -800 100 ) = ( -200 -400 50 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -200 -50 0 ) +t ( -200 -400 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 0 auf 1300m (also 1300m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1300 50 s = 26s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-1|-3|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 25,2km/h in Richtung des Punktes B (-49|21|638) (alle Koordinatenangaben in Meter). Ihre Bewegungsbahn soll als geradlinig angenommen werden.
Wann kommt die Seilbahngondel im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 25200 m 3600 s = 7 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -48 24 -16 ) ist (-48) 2 + 242 + (-16) 2 = 3136 = 56 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 7 m s . braucht er für diese Strecke 56 7 s = 8s.
Punkt B wird als nach 8s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|12|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 2min ist er im Punkt B (-108|-60|24) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 7,92 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( -108 -72 24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -108 -72 24 ) = ( -54 -36 12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 0 12 0 ) +t ( -54 -36 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 = (-54) 2 + (-36)2 + 12 2 = 4356 = 66.
Die Geschwindigkeit ist also v=66 m min
Für die Strecke von 7.92 km braucht es also 7920 66 min = 120min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 0 12 0 ) +120 ( -54 -36 12 ) = ( -6480 -4308 1440 ) , also im Punkt P(-6480|-4308|1440).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 1440 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -5 8 2 ) +t ( -6 8 -5 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (21|-10|20) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-3|22|-4) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 4s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( -24 32 -24 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -24 32 -24 ) = ( -6 8 -6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 21 -10 20 ) +t ( -6 8 -6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 4s an der Stelle P1 ( -5 8 2 ) +4 ( -6 8 -5 ) = ( -29 40 -18 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 21 -10 20 ) +4 ( -6 8 -6 ) = ( -3 22 -4 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-29|40|-18) und P2(-3|22|-4):
P1P2 = ( -3-( - 29 ) 22-40 -4-( - 18 ) ) = ( 26 -18 14 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 26 -18 14 ) | = 26 2 + (-18)2 + 14 2 = 1196 ≈ 34.583232931581

Der Abstand ist also ca. 34.58 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-8|-2|1,5) . Nach 5s ist sie im Punkt B (37|18|2) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -5 8 0,8 ) +t ( 1 -1 0,2 ) . (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 = ( 45 20 0.5 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( 45 20 0.5 ) = ( 9 4 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -8 -2 1.5 ) +t ( 9 4 0.1 ) 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:

0,2t +0,8 = 0,1t +1,5 | -0,8 -0,1t
0,1t = 0,7 |:0,1
t = 7

nach 7 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,27 +0,8 = 2.2 = 0,17 +1,5


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 12 -4 2,1 ) +t ( -2 2 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-1|6|0,7) . Nach 3h ist er im Punkt B (8|0|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?

Lösung einblenden

Der Heißluftballon F2 legt in 3h den Vektor AB = ( 9 -6 0.9 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 3 ( 9 -6 0.9 ) = ( 3 -2 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -1 6 0.7 ) +t ( 3 -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.

( 12 -4 2.1 ) +s ( -2 2 0.1 ) = ( -1 6 0.7 ) +t ( 3 -2 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

12-2s= -1+3t-4+2s= 6-2t

-2s -3t = -13 (I) 2s +2t = 10 (II)
-2s -3t = -13 (I) 2s +2t = 10 (II)

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

-2s -3t = -13 (I) ( -2 +2 )s +( -3 +2 )t = ( -13 +10 ) (II)
-2s -3t = -13 (I) -1t = -3 (II)
Zeile (II): -1t = -3

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

-2s -3·(3 ) = -13 | +9
-2 s = -4 | : (-2)

s = 2

L={(2 |3 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 2h und der Heißluftballon F2 nach 3h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 2h bei ( 12 -4 2.1 ) +2 ( -2 2 0.1 ) = ( 8 0 2.3 ) , während der Heißluftballon F2 nach 3h bei ( -1 6 0.7 ) +3 ( 3 -2 0.3 ) = ( 8 0 1.6 ) ist.

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

2.3 - 1.6 = 0.7 km

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|40|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-150|250|150) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 11s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -120 210 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -120 210 120 ) = ( -40 70 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 40 30 ) +t ( -40 70 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 40 30 ) +11 ( -40 70 40 ) = ( -470 810 470 ) , also im Punkt P(-470|810|470).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|30|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (120|-90|70) angelangt.
Welche (absolute) Höhe hat das Flugzeug, wenn es 10,8 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 s den Vektor AB = ( 120 -120 60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 120 -120 60 ) = ( 40 -40 20 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 0 30 10 ) +t ( 40 -40 20 ) 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 = 40 2 + (-40)2 + 20 2 = 3600 = 60.
Die Geschwindigkeit ist also v=60 m s
Für die Strecke von 10.8 km braucht es also 10800 60 s = 180s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 0 30 10 ) +180 ( 40 -40 20 ) = ( 7200 -7170 3610 ) , also im Punkt P(7200|-7170|3610).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 3610 (in m).