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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-260|160|130) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 10s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( -240 120 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -240 120 80 ) = ( -60 30 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -20 40 50 ) +t ( -60 30 20 ) 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 = ( -20 40 50 ) +10 ( -60 30 20 ) = ( -620 340 250 ) , also im Punkt P(-620|340|250).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (40|0|20) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 3min 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 = ( 20 -20 10 ) +t ( 20 20 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 3 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 20 -20 10 ) +3 ( 20 20 10 ) = ( 80 40 40 ) , also im Punkt P(80|40|40).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(20|-20|10) nach P(80|40|40) bewegt, also um den Vektor AP = ( 60 60 30 ) . Dessen Länge ist 60 2 + 602 + 30 2 = 8100 = 90m.

Geschwindigkeit in km/h

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 (90|80|40) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( 60 60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 60 2 + 602 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (-130|280|130) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 1090m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( -120 240 80 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -120 240 80 ) = ( -30 60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -10 40 50 ) +t ( -30 60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 50 auf 1090m (also 1040m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1040 20 min = 52min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-2|2|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 32,4km/h in Richtung des Punktes B (-30|58|647) (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= 32400 m 3600 s = 9 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -28 56 -7 ) ist (-28) 2 + 562 + (-7) 2 = 3969 = 63 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 9 m s . braucht er für diese Strecke 63 9 s = 7s.
Punkt B wird als nach 7s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-10|30) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-110|-100|50) angelangt.
Welche (absolute) Höhe hat das Flugzeug, wenn es 13,2 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 s den Vektor AB = ( -60 -90 20 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -50 -10 30 ) +t ( -60 -90 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 = (-60) 2 + (-90)2 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m s
Für die Strecke von 13.2 km braucht es also 13200 110 s = 120s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -50 -10 30 ) +120 ( -60 -90 20 ) = ( -7250 -10810 2430 ) , also im Punkt P(-7250|-10810|2430).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 2430 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 6 4 -1 ) +t ( 11 -10 -2 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-4|16|4) . Nach 2s ist sie im Punkt B (20|-4|-4) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 2s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( 24 -20 -8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 24 -20 -8 ) = ( 12 -10 -4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -4 16 4 ) +t ( 12 -10 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P1 ( 6 4 -1 ) +2 ( 11 -10 -2 ) = ( 28 -16 -5 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( -4 16 4 ) +2 ( 12 -10 -4 ) = ( 20 -4 -4 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(28|-16|-5) und P2(20|-4|-4):
P1P2 = ( 20-28 -4-( - 16 ) -4-( - 5 ) ) = ( -8 12 1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -8 12 1 ) | = (-8) 2 + 122 + 1 2 = 209 ≈ 14.456832294801

Der Abstand ist also ca. 14.46 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -3 3 1 ) +t ( 7 0 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (11|-21|0) . Nach 1h ist er im Punkt B (11|-18|0,3) angelangt. Bei beiden soll angenommen werden, dass sie sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn fortbewegen.
Wann sind die beiden Heißluftballone auf gleicher Höhe?

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Der Heißluftballon F2 legt in 1h den Vektor AB = ( 0 3 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 11 -21 0 ) +t ( 0 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:

0,2t +1 = 0,3t +0
0,2t +1 = 0,3t | -1 -0,3t
-0,1t = -1 |:(-0,1 )
t = 10

nach 10 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,210 +1 = 3 = 0,310 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 -3 0,5 ) +t ( -2 -1 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-75|-68|1,5) . Nach 3min ist es im Punkt B (-51|-44|2,4) angelangt.
Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

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Das Flugzeug F2 legt in 3min den Vektor AB = ( 24 24 0.9 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 24 24 0.9 ) = ( 8 8 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -75 -68 1.5 ) +t ( 8 8 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.

( -1 -3 0.5 ) +s ( -2 -1 0.5 ) = ( -75 -68 1.5 ) +t ( 8 8 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-1-2s= -75+8t-3-1s= -68+8t

-2s -8t = -74 (I) -1s -8t = -65 (II)
-2s -8t = -74 (I) -1s -8t = -65 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) -2·(II)

-2s -8t = -74 (I) ( -2 +2 )s +( -8 +16 )t = ( -74 +130 ) (II)
-2s -8t = -74 (I) +8t = 56 (II)
Zeile (II): +8t = 56

t = 7

eingesetzt in Zeile (I):

-2s -8·(7 ) = -74 | +56
-2 s = -18 | : (-2)

s = 9

L={(9 |7 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 9min und das Flugzeug F2 nach 7min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 9min bei ( -1 -3 0.5 ) +9 ( -2 -1 0.5 ) = ( -19 -12 5 ) , während das Flugzeug F2 nach 7min bei ( -75 -68 1.5 ) +7 ( 8 8 0.3 ) = ( -19 -12 3.6 ) ist.

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

5 - 3.6 = 1.4 km

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|100|100) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-300|-800|400) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 4s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -450 -900 300 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -450 -900 300 ) = ( -150 -300 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 150 100 100 ) +t ( -150 -300 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 4 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 150 100 100 ) +4 ( -150 -300 100 ) = ( -450 -1100 500 ) , also im Punkt P(-450|-1100|500).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|6|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (24|30|-12) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 3,6 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( 24 24 -12 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 24 24 -12 ) = ( 12 12 -6 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 0 6 0 ) +t ( 12 12 -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 = 12 2 + 122 + (-6) 2 = 324 = 18.
Die Geschwindigkeit ist also v=18 m min
Für die Strecke von 3.6 km braucht es also 3600 18 min = 200min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 0 6 0 ) +200 ( 12 12 -6 ) = ( 2400 2406 -1200 ) , also im Punkt P(2400|2406|-1200).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -1200 (in m).