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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|150|200) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-650|-1250|1000) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 7s?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 150 150 200 ) +t ( -200 -350 200 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 7 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 150 150 200 ) +7 ( -200 -350 200 ) = ( -1250 -2300 1600 ) , also im Punkt P(-1250|-2300|1600).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-20|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (10|50|40) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 2min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( 40 70 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 -20 0 ) +t ( 40 70 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 2 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 -20 0 ) +2 ( 40 70 40 ) = ( 50 120 80 ) , also im Punkt P(50|120|80).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|-20|0) nach P(50|120|80) bewegt, also um den Vektor AP = ( 80 140 80 ) . Dessen Länge ist 80 2 + 1402 + 80 2 = 32400 = 180m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|30|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-230|270|170) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( -240 240 120 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -240 240 120 ) = ( -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 (100|-150|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (1300|450|200) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 1100m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 1200 600 150 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 1200 600 150 ) = ( 400 200 50 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 100 -150 50 ) +t ( 400 200 50 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 50m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 50 auf 1100m (also 1050m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1050 50 s = 21s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|10|0) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 108km/h in Richtung des Punktes B (-80|90|40) (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= 108000 m 3600 s = 30 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -80 80 40 ) ist (-80) 2 + 802 + 40 2 = 14400 = 120 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 30 m s . braucht er für diese Strecke 120 30 s = 4s.
Punkt B wird als nach 4s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-15|12|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (27|36|-24) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 5,94 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 = ( -15 12 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 + 122 + (-12) 2 = 729 = 27.
Die Geschwindigkeit ist also v=27 m min
Für die Strecke von 5.94 km braucht es also 5940 27 min = 220min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -15 12 0 ) +220 ( 21 12 -12 ) = ( 4605 2652 -2640 ) , also im Punkt P(4605|2652|-2640).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -2640 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 6 5 -2 ) +t ( 11 -10 -2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|33|10) . Nach 4min ist es im Punkt B (38|-7|-6) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 4min von einander entfernt?

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F2 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 = ( -10 33 10 ) +t ( 12 -10 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 4min an der Stelle P1 ( 6 5 -2 ) +4 ( 11 -10 -2 ) = ( 50 -35 -10 ) ; F2 an der Stelle P2 ( -10 33 10 ) +4 ( 12 -10 -4 ) = ( 38 -7 -6 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(50|-35|-10) und P2(38|-7|-6):
P1P2 = ( 38-50 -7-( - 35 ) -6-( - 10 ) ) = ( -12 28 4 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -12 28 4 ) | = (-12) 2 + 282 + 4 2 = 944 ≈ 30.724582991474

Der Abstand ist also ca. 30.72 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -4 2 0,5 ) +t ( -1 -7 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-4|-102|2,3) . Nach 1min ist es im Punkt B (-5|-96|2,6) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 1min den Vektor AB = ( -1 6 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -4 -102 2.3 ) +t ( -1 6 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:

0,5t +0,5 = 0,3t +2,3 | -0,5 -0,3t
0,2t = 1,8 |:0,2
t = 9

nach 9 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,59 +0,5 = 5 = 0,39 +2,3


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (3|2|0,8) . Nach 5s ist sie im Punkt B (18|-48|1,8) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 41 -18 0,2 ) +t ( -7 2 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.

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Die Seilbahngondel legt in 5s den Vektor AB = ( 15 -50 1 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( 15 -50 1 ) = ( 3 -10 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 3 2 0.8 ) +t ( 3 -10 0.2 ) 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.

( 41 -18 0.2 ) +s ( -7 2 0.4 ) = ( 3 2 0.8 ) +t ( 3 -10 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

41-7s= 3+3t-18+2s= 2-10t

-7s -3t = -38 (I) 2s +10t = 20 (II)
-7s -3t = -38 (I) 2s +10t = 20 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) + 7·(II)

-7s -3t = -38 (I) ( -14 +14 )s +( -6 +70 )t = ( -76 +140 ) (II)
-7s -3t = -38 (I) +64t = 64 (II)
Zeile (II): +64t = 64

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-7s -3·(1 ) = -38 | +3
-7 s = -35 | : (-7)

s = 5

L={(5 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 5s und die Seilbahngondel nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 5s bei ( 41 -18 0.2 ) +5 ( -7 2 0.4 ) = ( 6 -8 2.2 ) , während die Seilbahngondel nach 1s bei ( 3 2 0.8 ) +1 ( 3 -10 0.2 ) = ( 6 -8 1 ) ist.

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

2.2 - 1 = 1.2 m

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-20|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-120|100|110) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 650m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( -120 120 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -120 120 60 ) = ( -40 40 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 -20 50 ) +t ( -40 40 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 650m (also 600m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 600 20 min = 30min lang steigen (bzw. sinken).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|10|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (310|-230|250) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 9min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 280 -240 240 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 280 -240 240 ) = ( 70 -60 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 10 10 ) +t ( 70 -60 60 ) 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 = ( 30 10 10 ) +9 ( 70 -60 60 ) = ( 660 -530 550 ) , also im Punkt P(660|-530|550).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|10|10) nach P(660|-530|550) bewegt, also um den Vektor AP = ( 630 -540 540 ) . Dessen Länge ist 630 2 + (-540)2 + 540 2 = 980100 = 990m.