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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (150|120|130) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 6min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( 160 160 80 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 160 160 80 ) = ( 80 80 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -10 -40 50 ) +t ( 80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 6 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -10 -40 50 ) +6 ( 80 80 40 ) = ( 470 440 290 ) , also im Punkt P(470|440|290).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|10|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-210|-80|100) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 11s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -180 -90 60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -180 -90 60 ) = ( -60 -30 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 10 40 ) +t ( -60 -30 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 10 40 ) +11 ( -60 -30 20 ) = ( -690 -320 260 ) , also im Punkt P(-690|-320|260).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|10|40) nach P(-690|-320|260) bewegt, also um den Vektor AP = ( -660 -330 220 ) . Dessen Länge ist (-660) 2 + (-330)2 + 220 2 = 592900 = 770m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (180|140|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

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|0|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-290|320|170) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 970m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 30 0 10 ) +t ( -80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 970m (also 960m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 960 40 s = 24s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|100|0) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1980km/h in Richtung des Punktes B (2100|-2350|2100) (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= 1980000 m 3600 s = 550 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 2100 -2450 2100 ) ist 2100 2 + (-2450)2 + 2100 2 = 14822500 = 3850 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 550 m s . braucht er für diese Strecke 3850 550 s = 7s.
Punkt B wird als nach 7s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-40|-50|20) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (120|30|40) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 7,2 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 s den Vektor AB = ( 160 80 20 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 160 80 20 ) = ( 80 40 10 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -40 -50 20 ) +t ( 80 40 10 ) 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 = 80 2 + 402 + 10 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s
Für die Strecke von 7.2 km braucht es also 7200 90 s = 80s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -40 -50 20 ) +80 ( 80 40 10 ) = ( 6360 3150 820 ) , also im Punkt P(6360|3150|820).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 820 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -2 -1 1 ) +t ( -3 4 -2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (9|1|4) . Nach 1min ist es im Punkt B (6|5|1) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 5min von einander entfernt?

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F2 legt in 1min den Vektor AB = ( -3 4 -3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 9 1 4 ) +t ( -3 4 -3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 5min an der Stelle P1 ( -2 -1 1 ) +5 ( -3 4 -2 ) = ( -17 19 -9 ) ; F2 an der Stelle P2 ( 9 1 4 ) +5 ( -3 4 -3 ) = ( -6 21 -11 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-17|19|-9) und P2(-6|21|-11):
P1P2 = ( -6-( - 17 ) 21-19 -11-( - 9 ) ) = ( 11 2 -2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 11 2 -2 ) | = 11 2 + 22 + (-2) 2 = 129 ≈ 11.357816691601

Der Abstand ist also ca. 11.36 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-34|114|0,3) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-14|104|1,1) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 7 6 0,7 ) +t ( 7 9 0,3 ) . (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 = ( 20 -10 0.8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 20 -10 0.8 ) = ( 10 -5 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -34 114 0.3 ) +t ( 10 -5 0.4 ) 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 = 0,4t +0,3 | -0,7 -0,4t
-0,1t = -0,4 |:(-0,1 )
t = 4

nach 4 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,34 +0,7 = 1.9 = 0,44 +0,3


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|-13|0) . Nach 1s ist sie im Punkt B (39|-18|0,3) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -6 0 1,6 ) +t ( 5 -2 0,1 ) . (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 1s den Vektor AB = ( -1 -5 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 40 -13 0 ) +t ( -1 -5 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.

( -6 0 1.6 ) +s ( 5 -2 0.1 ) = ( 40 -13 0 ) +t ( -1 -5 0.3 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-6+5s= 40-1t0-2s= -13-5t

5s +t = 46 (I) -2s +5t = -13 (II)
5s +t = 46 (I) -2s +5t = -13 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) + 5·(II)

5s 1t = 46 (I) ( 10 -10 )s +( 2 +25 )t = ( 92 -65 ) (II)
5s +t = 46 (I) +27t = 27 (II)
Zeile (II): +27t = 27

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

5s +(1 ) = 46 | -1
5 s = 45 | : 5

s = 9

L={(9 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 9s und die Seilbahngondel nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 9s bei ( -6 0 1.6 ) +9 ( 5 -2 0.1 ) = ( 39 -18 2.5 ) , während die Seilbahngondel nach 1s bei ( 40 -13 0 ) +1 ( -1 -5 0.3 ) = ( 39 -18 0.3 ) ist.

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

2.5 - 0.3 = 2.2 m

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-20|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (180|140|120) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 600m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 160 160 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 160 160 80 ) = ( 80 80 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 20 -20 40 ) +t ( 80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 40 auf 600m (also 560m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 560 40 s = 14s lang steigen (bzw. sinken).

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 6 10 0,7 ) +t ( -10 0 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-70|-11|0,2) . Nach 1h ist er im Punkt B (-62|-8|0,6) 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 1h den Vektor AB = ( 8 3 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -70 -11 0.2 ) +t ( 8 3 0.4 ) 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 = 0,4t +0,2 | -0,7 -0,4t
-0,1t = -0,5 |:(-0,1 )
t = 5

nach 5 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,35 +0,7 = 2.2 = 0,45 +0,2