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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-210|-140|130) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 10s?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 -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 = ( 0 -20 10 ) +10 ( -70 -40 40 ) = ( -700 -420 410 ) , also im Punkt P(-700|-420|410).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (250|-250|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-200|-1150|550) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 6s geflogen?

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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 = ( 250 -250 250 ) +t ( -150 -300 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 6 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 250 -250 250 ) +6 ( -150 -300 100 ) = ( -650 -2050 850 ) , also im Punkt P(-650|-2050|850).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(250|-250|250) nach P(-650|-2050|850) bewegt, also um den Vektor AP = ( -900 -1800 600 ) . Dessen Länge ist (-900) 2 + (-1800)2 + 600 2 = 4410000 = 2100m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-30|20) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (330|290|180) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 320 320 160 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 320 320 160 ) = ( 80 80 40 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 80 2 + 802 + 40 2 = 14400 = 120.
Die Geschwindigkeit ist also v=120 m min = 7.2 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|200|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-850|1000|450) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 4450m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( -800 800 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -800 800 400 ) = ( -200 200 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 200 50 ) +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 50 auf 4450m (also 4400m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 4400 100 s = 44s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-2|-3|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 39,6km/h in Richtung des Punktes B (54|-51|606) (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= 39600 m 3600 s = 11 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 56 -48 -48 ) ist 56 2 + (-48)2 + (-48) 2 = 7744 = 88 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 11 m s . braucht er für diese Strecke 88 11 s = 8s.
Punkt B wird als nach 8s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-3|0|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-45|-24|-24) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 3,78 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( -42 -24 -24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -42 -24 -24 ) = ( -21 -12 -12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -3 0 0 ) +t ( -21 -12 -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 = (-21) 2 + (-12)2 + (-12) 2 = 729 = 27.
Die Geschwindigkeit ist also v=27 m min
Für die Strecke von 3.78 km braucht es also 3780 27 min = 140min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -3 0 0 ) +140 ( -21 -12 -12 ) = ( -2943 -1680 -1680 ) , also im Punkt P(-2943|-1680|-1680).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -1680 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 7 -9 -1 ) +t ( -6 -9 8 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (23|11|-14) . Nach 3s ist sie im Punkt B (5|-19|10) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 2s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 3s den Vektor AB = ( -18 -30 24 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -18 -30 24 ) = ( -6 -10 8 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 23 11 -14 ) +t ( -6 -10 8 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 2s an der Stelle P1 ( 7 -9 -1 ) +2 ( -6 -9 8 ) = ( -5 -27 15 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 23 11 -14 ) +2 ( -6 -10 8 ) = ( 11 -9 2 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-5|-27|15) und P2(11|-9|2):
P1P2 = ( 11-( - 5 ) -9-( - 27 ) 2-15 ) = ( 16 18 -13 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 16 18 -13 ) | = 16 2 + 182 + (-13) 2 = 749 ≈ 27.367864366808

Der Abstand ist also ca. 27.37 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-74|33|0,4) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-60|31|0,8) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -4 -9 0,9 ) +t ( -7 9 0,1 ) . (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 2s den Vektor AB = ( 14 -2 0.4 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 14 -2 0.4 ) = ( 7 -1 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -74 33 0.4 ) +t ( 7 -1 0.2 ) 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:

0,1t +0,9 = 0,2t +0,4 | -0,9 -0,2t
-0,1t = -0,5 |:(-0,1 )
t = 5

nach 5 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,15 +0,9 = 1.4 = 0,25 +0,4


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -146 69 0 ) +t ( 10 1 0,4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (8|-2|0,7) . Nach 2h ist er im Punkt B (-8|18|1,3) 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 2h den Vektor AB = ( -16 20 0.6 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 2 ( -16 20 0.6 ) = ( -8 10 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 8 -2 0.7 ) +t ( -8 10 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.

( -146 69 0 ) +s ( 10 1 0.4 ) = ( 8 -2 0.7 ) +t ( -8 10 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-146+10s= 8-8t69+1s= -2+10t

10s +8t = 154 (I) s -10t = -71 (II)
10s +8t = 154 (I) s -10t = -71 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) -10·(II)

10s 8t = 154 (I) ( 10 -10 )s +( 8 +100 )t = ( 154 +710 ) (II)
10s +8t = 154 (I) +108t = 864 (II)
Zeile (II): +108t = 864

t = 8

eingesetzt in Zeile (I):

10s +8·(8 ) = 154 | -64
10 s = 90 | : 10

s = 9

L={(9 |8 )}

Das heißt also, dass der Heißluftballon F1 nach 9h und der Heißluftballon F2 nach 8h an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

der Heißluftballon F1 ist also nach 9h bei ( -146 69 0 ) +9 ( 10 1 0.4 ) = ( -56 78 3.6 ) , während der Heißluftballon F2 nach 8h bei ( 8 -2 0.7 ) +8 ( -8 10 0.3 ) = ( -56 78 3.1 ) ist.

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

3.6 - 3.1 = 0.5 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-10|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (200|170|100) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 1000m erreicht?

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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 = ( 20 -10 10 ) +t ( 60 60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 30m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 1000m (also 990m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 990 30 min = 33min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|0|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (160|160|90) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 160 160 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 160 160 80 ) = ( 40 40 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 40 2 + 402 + 20 2 = 3600 = 60.
Die Geschwindigkeit ist also v=60 m s = 216 km h