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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|200|200) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-200|50|300) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 5s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -300 -150 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 100 200 200 ) +t ( -300 -150 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 5 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 100 200 200 ) +5 ( -300 -150 100 ) = ( -1400 -550 700 ) , also im Punkt P(-1400|-550|700).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|150|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (1200|1350|650) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 8s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 1200 1200 600 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 1200 1200 600 ) = ( 400 400 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 150 50 ) +t ( 400 400 200 ) 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 = ( 0 150 50 ) +8 ( 400 400 200 ) = ( 3200 3350 1650 ) , also im Punkt P(3200|3350|1650).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(0|150|50) nach P(3200|3350|1650) bewegt, also um den Vektor AP = ( 3200 3200 1600 ) . Dessen Länge ist 3200 2 + 32002 + 1600 2 = 23040000 = 4800m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|30|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (60|100|90) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 40 70 40 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 40 2 + 702 + 40 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s = 324 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|200|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-1350|1000|800) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 8800m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( -1400 800 800 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -1400 800 800 ) = ( -350 200 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 200 0 ) +t ( -350 200 200 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 200m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 8800m (also 8800m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 8800 200 s = 44s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (200|-200|250) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1260km/h in Richtung des Punktes B (2600|1000|1050) (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= 1260000 m 3600 s = 350 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 2400 1200 800 ) ist 2400 2 + 12002 + 800 2 = 7840000 = 2800 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 350 m s . braucht er für diese Strecke 2800 350 s = 8s.
Punkt B wird als nach 8s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|-6|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-36|-54|-24) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 4,32 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor AB = ( -48 -48 -24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -48 -48 -24 ) = ( -12 -12 -6 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 12 -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 + (-12)2 + (-6) 2 = 324 = 18.
Die Geschwindigkeit ist also v=18 m min
Für die Strecke von 4.32 km braucht es also 4320 18 min = 240min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 12 -6 0 ) +240 ( -12 -12 -6 ) = ( -2868 -2886 -1440 ) , also im Punkt P(-2868|-2886|-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 = ( -9 -10 1 ) +t ( -5 0 5 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-6|-1) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-20|-14|23) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 2s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( -20 -8 24 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -20 -8 24 ) = ( -5 -2 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 0 -6 -1 ) +t ( -5 -2 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P1 ( -9 -10 1 ) +2 ( -5 0 5 ) = ( -19 -10 11 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 0 -6 -1 ) +2 ( -5 -2 6 ) = ( -10 -10 11 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-19|-10|11) und P2(-10|-10|11):
P1P2 = ( -10-( - 19 ) -10-( - 10 ) 11-11 ) = ( 9 0 0 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 9 0 0 ) | = 9 2 + 02 + 0 2 = 81 = 9

Der Abstand ist also ca. 9 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 10 1 0,7 ) +t ( -1 1 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-26|-67|2,3) . Nach 3h ist er im Punkt B (-14|-40|2,6) 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 3h den Vektor AB = ( 12 27 0.3 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 3 ( 12 27 0.3 ) = ( 4 9 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -26 -67 2.3 ) +t ( 4 9 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:

0,3t +0,7 = 0,1t +2,3 | -0,7 -0,1t
0,2t = 1,6 |:0,2
t = 8

nach 8 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,38 +0,7 = 3.1 = 0,18 +2,3


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -10 -7 0,5 ) +t ( 0 1 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-34|2|1,5) . Nach 4min ist es im Punkt B (-10|2|3,1) 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 4min den Vektor AB = ( 24 0 1.6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 24 0 1.6 ) = ( 6 0 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -34 2 1.5 ) +t ( 6 0 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.

( -10 -7 0.5 ) +s ( 0 1 0.5 ) = ( -34 2 1.5 ) +t ( 6 0 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-10+0s= -34+6t-7+1s= 2+0t

-6t = -24 (I) s = 9 (II)
-6t = -24 (I) s = 9 (II)

Wir tauschen die Zeilen 1 und 2, um auf die gewünschte Dreiecksform zu kommen.

s = 9 (I) -6t = -24 (II)
0 s -6 t = -24 (I) 1 s +0 t = +9 (II)
s = 9 (I) -6t = -24 (II)
Zeile (II): -6t = -24

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

s = 9

s = 9

L={(9 |4 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 9min und das Flugzeug F2 nach 4min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 9min bei ( -10 -7 0.5 ) +9 ( 0 1 0.5 ) = ( -10 2 5 ) , während das Flugzeug F2 nach 4min bei ( -34 2 1.5 ) +4 ( 6 0 0.4 ) = ( -10 2 3.1 ) ist.

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

5 - 3.1 = 1.9 km

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-10|40) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (-290|-170|80) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 5min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( -320 -160 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -320 -160 40 ) = ( -80 -40 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 -10 40 ) +t ( -80 -40 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 5 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 30 -10 40 ) +5 ( -80 -40 10 ) = ( -370 -210 90 ) , also im Punkt P(-370|-210|90).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|-250|100) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1620km/h in Richtung des Punktes B (-2650|1350|1700) (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= 1620000 m 3600 s = 450 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -2800 1600 1600 ) ist (-2800) 2 + 16002 + 1600 2 = 12960000 = 3600 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 450 m s . braucht er für diese Strecke 3600 450 s = 8s.
Punkt B wird als nach 8s erreicht.