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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|10|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (120|90|50) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 9min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 80 80 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 80 80 40 ) = ( 20 20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 40 10 10 ) +t ( 20 20 10 ) 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 = ( 40 10 10 ) +9 ( 20 20 10 ) = ( 220 190 100 ) , also im Punkt P(220|190|100).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|-50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-1300|-1450|1200) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 9s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( -1200 -1400 1200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -1200 -1400 1200 ) = ( -300 -350 300 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -100 -50 0 ) +t ( -300 -350 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 9 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -100 -50 0 ) +9 ( -300 -350 300 ) = ( -2800 -3200 2700 ) , also im Punkt P(-2800|-3200|2700).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-100|-50|0) nach P(-2800|-3200|2700) bewegt, also um den Vektor AP = ( -2700 -3150 2700 ) . Dessen Länge ist (-2700) 2 + (-3150)2 + 2700 2 = 24502500 = 4950m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|0|50) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-50|-80|90) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-250|100) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-900|650|550) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 5950m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -900 900 450 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -900 900 450 ) = ( -300 300 150 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 0 -250 100 ) +t ( -300 300 150 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 150m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 100 auf 5950m (also 5850m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 5850 150 s = 39s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-2|5|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 10,8km/h in Richtung des Punktes B (-12|-5|649) (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= 10800 m 3600 s = 3 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -10 -10 -5 ) ist (-10) 2 + (-10)2 + (-5) 2 = 225 = 15 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 3 m s . braucht er für diese Strecke 15 3 s = 5s.
Punkt B wird als nach 5s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|3|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (0|-9|-6) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 1,62 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( -12 -12 -6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -12 -12 -6 ) = ( -6 -6 -3 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 12 3 0 ) +t ( -6 -6 -3 ) 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 = (-6) 2 + (-6)2 + (-3) 2 = 81 = 9.
Die Geschwindigkeit ist also v=9 m min
Für die Strecke von 1.62 km braucht es also 1620 9 min = 180min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 12 3 0 ) +180 ( -6 -6 -3 ) = ( -1068 -1077 -540 ) , also im Punkt P(-1068|-1077|-540).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -540 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|34|-21) (alle Angaben in Meter). Nach 5min ist er im Punkt B (-10|-16|19) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -2 4 0 ) +t ( -6 -9 8 ) . (alle Koordinaten in m; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn).
Wie weit sind der Heißluftballon und die Drohne nach 5min von einander entfernt?

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Der Heißluftballon legt in 5min den Vektor AB = ( -30 -50 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( -30 -50 40 ) = ( -6 -10 8 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 20 34 -21 ) +t ( -6 -10 8 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5min an der Stelle P1 ( -2 4 0 ) +5 ( -6 -9 8 ) = ( -32 -41 40 ) ; Der Heißluftballon an der Stelle P2 ( 20 34 -21 ) +5 ( -6 -10 8 ) = ( -10 -16 19 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-32|-41|40) und P2(-10|-16|19):
P1P2 = ( -10-( - 32 ) -16-( - 41 ) 19-40 ) = ( 22 25 -21 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 22 25 -21 ) | = 22 2 + 252 + (-21) 2 = 1550 ≈ 39.370039370059

Der Abstand ist also ca. 39.37 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -4 -7 0,7 ) +t ( -5 2 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-13|-8|1,3) . Nach 3h ist er im Punkt B (-16|7|1,9) 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 3h den Vektor AB = ( -3 15 0.6 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 3 ( -3 15 0.6 ) = ( -1 5 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -13 -8 1.3 ) +t ( -1 5 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:

0,3t +0,7 = 0,2t +1,3 | -0,7 -0,2t
0,1t = 0,6 |:0,1
t = 6

nach 6 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,36 +0,7 = 2.5 = 0,26 +1,3


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (62|-133|1,4) . Nach 2s ist sie im Punkt B (42|-117|1,8) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 8 -7 0,6 ) +t ( -4 -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.

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB = ( -20 16 0.4 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -20 16 0.4 ) = ( -10 8 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 62 -133 1.4 ) +t ( -10 8 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.

( 8 -7 0.6 ) +s ( -4 -6 0.4 ) = ( 62 -133 1.4 ) +t ( -10 8 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

8-4s= 62-10t-7-6s= -133+8t

-4s +10t = 54 (I) -6s -8t = -126 (II)
-4s +10t = 54 (I) -6s -8t = -126 (II)

langsame Rechnung einblenden3·(I) -2·(II)

-4s 10t = 54 (I) ( -12 +12 )s +( 30 +16 )t = ( 162 +252 ) (II)
-4s +10t = 54 (I) +46t = 414 (II)
Zeile (II): +46t = 414

t = 9

eingesetzt in Zeile (I):

-4s +10·(9 ) = 54 | -90
-4 s = -36 | : (-4)

s = 9

L={(9 |9 )}

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

die Drohne ist also nach 9s bei ( 8 -7 0.6 ) +9 ( -4 -6 0.4 ) = ( -28 -61 4.2 ) , während die Seilbahngondel nach 9s bei ( 62 -133 1.4 ) +9 ( -10 8 0.2 ) = ( -28 -61 3.2 ) ist.

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

4.2 - 3.2 = 1 m

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 6 8 -2 ) +t ( -5 0 5 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (25|16|-16) . Nach 5s ist sie im Punkt B (0|6|14) 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 = ( -25 -10 30 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( -25 -10 30 ) = ( -5 -2 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 25 16 -16 ) +t ( -5 -2 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P1 ( 6 8 -2 ) +3 ( -5 0 5 ) = ( -9 8 13 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 25 16 -16 ) +3 ( -5 -2 6 ) = ( 10 10 2 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-9|8|13) und P2(10|10|2):
P1P2 = ( 10-( - 9 ) 10-8 2-13 ) = ( 19 2 -11 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 19 2 -11 ) | = 19 2 + 22 + (-11) 2 = 486 ≈ 22.045407685049

Der Abstand ist also ca. 22.05 m.

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 9 0 ) +t ( 3 59 -40 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (1|-105|89) . Nach 5min ist es im Punkt B (1|195|-111) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 5min den Vektor AB = ( 0 300 -200 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 5 ( 0 300 -200 ) = ( 0 60 -40 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 1 -105 89 ) +t ( 0 60 -40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( -1 9 0 ) +2 ( 3 59 -40 ) = ( 5 127 -80 ) ; F2 an der Stelle P2 ( 1 -105 89 ) +2 ( 0 60 -40 ) = ( 1 15 9 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(5|127|-80) und P2(1|15|9):
P1P2 = ( 1-5 15-127 9-( - 80 ) ) = ( -4 -112 89 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -4 -112 89 ) | = (-4) 2 + (-112)2 + 89 2 = 20481 ≈ 143.11184437355

Der Abstand ist also ca. 143.11 km.