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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|20|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-240|200|210) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 8min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB → = ( -210 180 180 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -210 180 180 ) = ( -70 60 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -30 20 30 ) +t⋅ ( -70 60 60 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( -30 20 30 ) +8⋅ ( -70 60 60 ) = ( -590 500 510 ) , also im Punkt P(-590|500|510).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|20|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (10|140|70) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 9min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB → = ( 60 120 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 60 120 40 ) = ( 30 60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -50 20 30 ) +t⋅ ( 30 60 20 ) 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 → = ( -50 20 30 ) +9⋅ ( 30 60 20 ) = ( 220 560 210 ) , also im Punkt P(220|560|210).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-50|20|30) nach P(220|560|210) bewegt, also um den Vektor AP → = ( 270 540 180 ) . Dessen Länge ist 270 2 + 5402 + 180 2 = 396900 = 630m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-10|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (-10|30|70) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB → = ( -40 40 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-40) 2 + 402 + 20 2 = 3600 = 60.
Die Geschwindigkeit ist also v=60 m min = 3.6 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-20|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (180|-100|50) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 210m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB → = ( 160 -80 20 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 160 -80 20 ) = ( 80 -40 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 20 -20 30 ) +t⋅ ( 80 -40 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 30 auf 210m (also 180m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 180 10 min = 18min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-50|30) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 396km/h in Richtung des Punktes B (20|-110|90) (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= 396000 m 3600 s = 110 m s .
Die Länge des Vektors AB → = ( 70 -60 60 ) ist 70 2 + (-60)2 + 60 2 = 12100 = 110 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 110 m s . braucht er für diese Strecke 110 110 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-9|12|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (18|-6|-6) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 7,92 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB → = ( 27 -18 -6 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( -9 12 0 ) +t⋅ ( 27 -18 -6 ) 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 = 27 2 + (-18)2 + (-6) 2 = 1089 = 33.
Die Geschwindigkeit ist also v=33 m min
Für die Strecke von 7.92 km braucht es also 7920 33 min = 240min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( -9 12 0 ) +240⋅ ( 27 -18 -6 ) = ( 6471 -4308 -1440 ) , also im Punkt P(6471|-4308|-1440).

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

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (2|24|7) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (50|-16|-9) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 8 8 0 ) +t⋅ ( 11 -10 -2 ) . (alle Koordinaten in m; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn).
Wie weit sind der Heißluftballon und die Drohne nach 2min von einander entfernt?

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Der Heißluftballon legt in 4min den Vektor AB → = ( 48 -40 -16 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( 48 -40 -16 ) = ( 12 -10 -4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 2 24 7 ) +t⋅ ( 12 -10 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2min an der Stelle P1 ( 8 8 0 ) +2⋅ ( 11 -10 -2 ) = ( 30 -12 -4 ) ; Der Heißluftballon an der Stelle P2 ( 2 24 7 ) +2⋅ ( 12 -10 -4 ) = ( 26 4 -1 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(30|-12|-4) und P2(26|4|-1):
P1P2 → = ( 26-30 4-( - 12 ) -1-( - 4 ) ) = ( -4 16 3 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( -4 16 3 ) | = (-4) 2 + 162 + 3 2 = 281 ≈ 16.76305461424

Der Abstand ist also ca. 16.76 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 0 3 0,6 ) +t⋅ ( 7 -4 0,4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (95|-53|1,4) . Nach 2min ist es im Punkt B (79|-43|2) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 2min den Vektor AB → = ( -16 10 0.6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -16 10 0.6 ) = ( -8 5 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 95 -53 1.4 ) +t⋅ ( -8 5 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 +1,4 | -0,6 -0,3t
0,1t = 0,8 |:0,1
t = 8

nach 8 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,4⋅8 +0,6 = 3.8 = 0,3⋅8 +1,4


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -15 -18 2,7 ) +t⋅ ( -5 -10 0,1 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-10|0,7) . Nach 5h ist er im Punkt B (-15|-30|2,2) 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 5h den Vektor AB → = ( -25 -20 1.5 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 5 ⋅ ( -25 -20 1.5 ) = ( -5 -4 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 10 -10 0.7 ) +t⋅ ( -5 -4 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.

( -15 -18 2.7 ) +s⋅ ( -5 -10 0.1 ) = ( 10 -10 0.7 ) +t⋅ ( -5 -4 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-15-5s= 10-5t-18-10s= -10-4t

-5s +5t = 25 (I) -10s +4t = 8 (II)
-5s +5t = 25 (I) -10s +4t = 8 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) -1·(II)

-5s 5t = 25 (I) ( -10 +10 )s +( 10 -4 )t = ( 50 -8 ) (II)
-5s +5t = 25 (I) +6t = 42 (II)
Zeile (II): +6t = 42

t = 7

eingesetzt in Zeile (I):

-5s +5·(7 ) = 25 | -35
-5 s = -10 | : (-5)

s = 2

L={(2 |7 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 2h und der Heißluftballon F2 nach 7h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 2h bei ( -15 -18 2.7 ) +2⋅ ( -5 -10 0.1 ) = ( -25 -38 2.9 ) , während der Heißluftballon F2 nach 7h bei ( 10 -10 0.7 ) +7⋅ ( -5 -4 0.3 ) = ( -25 -38 2.8 ) ist.

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

2.9 - 2.8 = 0.1 km

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|30|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (-190|-130|90) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 12min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB → = ( -160 -160 80 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -160 -160 80 ) = ( -40 -40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -30 30 10 ) +t⋅ ( -40 -40 20 ) 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 → = ( -30 30 10 ) +12⋅ ( -40 -40 20 ) = ( -510 -450 250 ) , also im Punkt P(-510|-450|250).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|30|10) nach P(-510|-450|250) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -480 -480 240 ) . Dessen Länge ist (-480) 2 + (-480)2 + 240 2 = 518400 = 720m.

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-200|50) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1080km/h in Richtung des Punktes B (-950|-1200|550) (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= 1080000 m 3600 s = 300 m s .
Die Länge des Vektors AB → = ( -1000 -1000 500 ) ist (-1000) 2 + (-1000)2 + 500 2 = 2250000 = 1500 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 300 m s . braucht er für diese Strecke 1500 300 s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.