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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-20|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-320|-200|100) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 9min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( -270 -180 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -270 -180 60 ) = ( -90 -60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 -20 40 ) +t ( -90 -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 40 ) +9 ( -90 -60 20 ) = ( -860 -560 220 ) , also im Punkt P(-860|-560|220).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|40|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (90|100|70) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 8s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 60 60 30 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 60 60 30 ) = ( 20 20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 40 40 ) +t ( 20 20 10 ) 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 = ( 30 40 40 ) +8 ( 20 20 10 ) = ( 190 200 120 ) , also im Punkt P(190|200|120).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|40|40) nach P(190|200|120) bewegt, also um den Vektor AP = ( 160 160 80 ) . Dessen Länge ist 160 2 + 1602 + 80 2 = 57600 = 240m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|10|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-110|50|60) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -80 40 10 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-80) 2 + 402 + 10 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 (200|-150|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-400|-750|550) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 3850m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -600 -600 300 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -600 -600 300 ) = ( -200 -200 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 200 -150 250 ) +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 250 auf 3850m (also 3600m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 3600 100 s = 36s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (3|-1|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 21,6km/h in Richtung des Punktes B (19|15|646) (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= 21600 m 3600 s = 6 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 16 16 -8 ) ist 16 2 + 162 + (-8) 2 = 576 = 24 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 6 m s . braucht er für diese Strecke 24 6 s = 4s.
Punkt B wird als nach 4s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (6|-9|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (30|-33|-12) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 1,44 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 = ( 6 -9 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 1.44 km braucht es also 1440 18 min = 80min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 6 -9 0 ) +80 ( 12 -12 -6 ) = ( 966 -969 -480 ) , also im Punkt P(966|-969|-480).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -480 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -4 8 -1 ) +t ( 0 -5 5 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|17|-3) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-8|-3|21) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 1s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( -8 -20 24 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -8 -20 24 ) = ( -2 -5 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 0 17 -3 ) +t ( -2 -5 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 1s an der Stelle P1 ( -4 8 -1 ) +1 ( 0 -5 5 ) = ( -4 3 4 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 0 17 -3 ) +1 ( -2 -5 6 ) = ( -2 12 3 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-4|3|4) und P2(-2|12|3):
P1P2 = ( -2-( - 4 ) 12-3 3-4 ) = ( 2 9 -1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 2 9 -1 ) | = 2 2 + 92 + (-1) 2 = 86 ≈ 9.2736184954957

Der Abstand ist also ca. 9.27 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 -9 0,8 ) +t ( 2 -1 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-14|1|0,2) . Nach 5min ist es im Punkt B (1|-9|1,7) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 5min den Vektor AB = ( 15 -10 1.5 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( 15 -10 1.5 ) = ( 3 -2 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -14 1 0.2 ) +t ( 3 -2 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 +0,8 = 0,3t +0,2 | -0,8 -0,3t
-0,1t = -0,6 |:(-0,1 )
t = 6

nach 6 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,26 +0,8 = 2 = 0,36 +0,2


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (7|-8|0,5) . Nach 2s ist sie im Punkt B (27|-8|1,5) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 31 28 1,5 ) +t ( 1 -6 0,4 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Es gibt einen Zeitpunkt, an dem die Drohne genau über der Seilbahn ist. Berechne den vertikalen Höhenunterschied zwischen Drohne und Seilbahn an dieser Stelle.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( 20 0 1 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 20 0 1 ) = ( 10 0 0.5 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 7 -8 0.5 ) +t ( 10 0 0.5 ) 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.

( 31 28 1.5 ) +s ( 1 -6 0.4 ) = ( 7 -8 0.5 ) +t ( 10 0 0.5 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

31+1s= 7+10t28-6s= -8+0t

s -10t = -24 (I) -6s = -36 (II)
s -10t = -24 (I) -6s = -36 (II)

langsame Rechnung einblenden6·(I) + 1·(II)

1s -10t = -24 (I) ( 6 -6 )s +( -60 +0)t = ( -144 -36 ) (II)
s -10t = -24 (I) -60t = -180 (II)
Zeile (II): -60t = -180

t = 3

eingesetzt in Zeile (I):

s -10·(3 ) = -24 | +30
1 s = 6 | : 1

s = 6

L={(6 |3 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 6s und die Seilbahngondel nach 3s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 6s bei ( 31 28 1.5 ) +6 ( 1 -6 0.4 ) = ( 37 -8 3.9 ) , während die Seilbahngondel nach 3s bei ( 7 -8 0.5 ) +3 ( 10 0 0.5 ) = ( 37 -8 2 ) ist.

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

3.9 - 2 = 1.9 m

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|200|100) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (500|-200|300) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 3s geflogen?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 100 200 100 ) +t ( 200 -200 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 3 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 100 200 100 ) +3 ( 200 -200 100 ) = ( 700 -400 400 ) , also im Punkt P(700|-400|400).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(100|200|100) nach P(700|-400|400) bewegt, also um den Vektor AP = ( 600 -600 300 ) . Dessen Länge ist 600 2 + (-600)2 + 300 2 = 810000 = 900m.

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|10|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (140|70|40) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 3min?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 20 10 0 ) +t ( 60 30 20 ) 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 10 0 ) +3 ( 60 30 20 ) = ( 200 100 60 ) , also im Punkt P(200|100|60).