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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 1min ist er im Punkt B (-140|40|60) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 9min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( -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 ) = ( -860 520 220 ) , also im Punkt P(-860|520|220).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|200|50) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (500|1400|450) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 7s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( 600 1200 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( 600 1200 400 ) = ( 150 300 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -100 200 50 ) +t ( 150 300 100 ) 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 = ( -100 200 50 ) +7 ( 150 300 100 ) = ( 950 2300 750 ) , also im Punkt P(950|2300|750).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-100|200|50) nach P(950|2300|750) bewegt, also um den Vektor AP = ( 1050 2100 700 ) . Dessen Länge ist 1050 2 + 21002 + 700 2 = 6002500 = 2450m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|40|0) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (140|-200|30) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( 120 -240 30 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 120 -240 30 ) = ( 40 -80 10 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 40 2 + (-80)2 + 10 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|0|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (300|-300|200) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 1250m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 300 -300 150 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 300 -300 150 ) = ( 100 -100 50 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 0 50 ) +t ( 100 -100 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 1250m (also 1200m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1200 50 s = 24s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (4|0|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 25,2km/h in Richtung des Punktes B (34|15|644) (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= 25200 m 3600 s = 7 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 30 15 -10 ) ist 30 2 + 152 + (-10) 2 = 1225 = 35 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 7 m s . braucht er für diese Strecke 35 7 s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (6|6|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 3min ist er im Punkt B (-102|60|36) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 6,72 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB = ( -108 54 36 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -108 54 36 ) = ( -36 18 12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 6 6 0 ) +t ( -36 18 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 = (-36) 2 + 182 + 12 2 = 1764 = 42.
Die Geschwindigkeit ist also v=42 m min
Für die Strecke von 6.72 km braucht es also 6720 42 min = 160min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 6 6 0 ) +160 ( -36 18 12 ) = ( -5754 2886 1920 ) , also im Punkt P(-5754|2886|1920).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 1920 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 6 3 -1 ) +t ( 7 7 -12 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (6|1|18) . Nach 5s ist sie im Punkt B (36|41|-42) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 3s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 5s den Vektor AB = ( 30 40 -60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( 30 40 -60 ) = ( 6 8 -12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 6 1 18 ) +t ( 6 8 -12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P1 ( 6 3 -1 ) +3 ( 7 7 -12 ) = ( 27 24 -37 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 6 1 18 ) +3 ( 6 8 -12 ) = ( 24 25 -18 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(27|24|-37) und P2(24|25|-18):
P1P2 = ( 24-27 25-24 -18-( - 37 ) ) = ( -3 1 19 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -3 1 19 ) | = (-3) 2 + 12 + 19 2 = 371 ≈ 19.261360284258

Der Abstand ist also ca. 19.26 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 4 5 0,5 ) +t ( -6 -9 0,5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-14|-64|1) . Nach 5min ist es im Punkt B (-4|-14|3) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 5min den Vektor AB = ( 10 50 2 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( 10 50 2 ) = ( 2 10 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -14 -64 1 ) +t ( 2 10 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:

0,5t +0,5 = 0,4t +1 | -0,5 -0,4t
0,1t = 0,5 |:0,1
t = 5

nach 5 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,55 +0,5 = 3 = 0,45 +1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 30 57 0 ) +t ( 1 -6 0,4 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-2|5|1,4) . Nach 5min ist es im Punkt B (48|10|2,4) 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 5min den Vektor AB = ( 50 5 1 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( 50 5 1 ) = ( 10 1 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -2 5 1.4 ) +t ( 10 1 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.

( 30 57 0 ) +s ( 1 -6 0.4 ) = ( -2 5 1.4 ) +t ( 10 1 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

30+1s= -2+10t57-6s= 5+1t

s -10t = -32 (I) -6s -1t = -52 (II)
s -10t = -32 (I) -6s -1t = -52 (II)

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

1s -10t = -32 (I) ( 6 -6 )s +( -60 -1 )t = ( -192 -52 ) (II)
s -10t = -32 (I) -61t = -244 (II)
Zeile (II): -61t = -244

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

s -10·(4 ) = -32 | +40
1 s = 8 | : 1

s = 8

L={(8 |4 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 8min und das Flugzeug F2 nach 4min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 8min bei ( 30 57 0 ) +8 ( 1 -6 0.4 ) = ( 38 9 3.2 ) , während das Flugzeug F2 nach 4min bei ( -2 5 1.4 ) +4 ( 10 1 0.2 ) = ( 38 9 2.2 ) ist.

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

3.2 - 2.2 = 1 km

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -6 2 -2 ) +t ( -1 -13 8 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-2|20|-3) . Nach 4min ist es im Punkt B (-2|-36|29) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 5min von einander entfernt?

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F2 legt in 4min den Vektor AB = ( 0 -56 32 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 0 -56 32 ) = ( 0 -14 8 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -2 20 -3 ) +t ( 0 -14 8 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 5min an der Stelle P1 ( -6 2 -2 ) +5 ( -1 -13 8 ) = ( -11 -63 38 ) ; F2 an der Stelle P2 ( -2 20 -3 ) +5 ( 0 -14 8 ) = ( -2 -50 37 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-11|-63|38) und P2(-2|-50|37):
P1P2 = ( -2-( - 11 ) -50-( - 63 ) 37-38 ) = ( 9 13 -1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 9 13 -1 ) | = 9 2 + 132 + (-1) 2 = 251 ≈ 15.842979517755

Der Abstand ist also ca. 15.84 km.

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|0|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (60|160|50) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 5min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( 80 160 20 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 80 160 20 ) = ( 40 80 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -20 0 30 ) +t ( 40 80 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 = ( -20 0 30 ) +5 ( 40 80 10 ) = ( 180 400 80 ) , also im Punkt P(180|400|80).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-20|0|30) nach P(180|400|80) bewegt, also um den Vektor AP = ( 200 400 50 ) . Dessen Länge ist 200 2 + 4002 + 50 2 = 202500 = 450m.