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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (250|50|150) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (650|450|350) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 12s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 400 400 200 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 250 50 150 ) +t ( 400 400 200 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 250 50 150 ) +12 ( 400 400 200 ) = ( 5050 4850 2550 ) , also im Punkt P(5050|4850|2550).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-150|0|100) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-1950|-1200|500) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 10s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB = ( -1800 -1200 400 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -1800 -1200 400 ) = ( -450 -300 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -150 0 100 ) +t ( -450 -300 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 10 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -150 0 100 ) +10 ( -450 -300 100 ) = ( -4650 -3000 1100 ) , also im Punkt P(-4650|-3000|1100).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-150|0|100) nach P(-4650|-3000|1100) bewegt, also um den Vektor AP = ( -4500 -3000 1000 ) . Dessen Länge ist (-4500) 2 + (-3000)2 + 1000 2 = 30250000 = 5500m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|-30|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (160|-300|70) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 180 -270 60 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 180 -270 60 ) = ( 60 -90 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 60 2 + (-90)2 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m s = 396 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|50|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-230|-190|160) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 1480m erreicht?

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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.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 10 50 40 ) +t ( -80 -80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 40 auf 1480m (also 1440m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1440 40 min = 36min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|-50|100) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2160km/h in Richtung des Punktes B (300|-450|300) (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= 2160000 m 3600 s = 600 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 400 -400 200 ) ist 400 2 + (-400)2 + 200 2 = 360000 = 600 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 600 m s . braucht er für diese Strecke 600 600 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-24|6|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 1min ist er im Punkt B (24|54|24) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 14,4 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( 48 48 24 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -24 6 0 ) +t ( 48 48 24 ) 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 = 48 2 + 482 + 24 2 = 5184 = 72.
Die Geschwindigkeit ist also v=72 m min
Für die Strecke von 14.4 km braucht es also 14400 72 min = 200min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -24 6 0 ) +200 ( 48 48 24 ) = ( 9576 9606 4800 ) , also im Punkt P(9576|9606|4800).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 4800 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 4 -7 -2 ) +t ( -1 16 -27 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (8|-32|58) . Nach 1s ist sie im Punkt B (8|-16|30) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 1s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor AB = ( 0 16 -28 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 8 -32 58 ) +t ( 0 16 -28 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 1s an der Stelle P1 ( 4 -7 -2 ) +1 ( -1 16 -27 ) = ( 3 9 -29 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 8 -32 58 ) +1 ( 0 16 -28 ) = ( 8 -16 30 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(3|9|-29) und P2(8|-16|30):
P1P2 = ( 8-3 -16-9 30-( - 29 ) ) = ( 5 -25 59 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 5 -25 59 ) | = 5 2 + (-25)2 + 59 2 = 4131 ≈ 64.272855856886

Der Abstand ist also ca. 64.27 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 3 -2 1,8 ) +t ( 9 -7 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|-44|0) . Nach 4min ist es im Punkt B (48|-52|1,6) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 4min den Vektor AB = ( 36 -8 1.6 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 36 -8 1.6 ) = ( 9 -2 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 12 -44 0 ) +t ( 9 -2 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:

0,2t +1,8 = 0,4t +0
0,2t +1,8 = 0,4t | -1,8 -0,4t
-0,2t = -1,8 |:(-0,2 )
t = 9

nach 9 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,29 +1,8 = 3.6 = 0,49 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 10 -3 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 (20|-37|1,1) . Nach 2min ist es im Punkt B (14|-31|1,9) 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 2min den Vektor AB = ( -6 6 0.8 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -6 6 0.8 ) = ( -3 3 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 20 -37 1.1 ) +t ( -3 3 0.4 ) 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.

( 10 -3 0.5 ) +s ( 1 -7 0.5 ) = ( 20 -37 1.1 ) +t ( -3 3 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

10+1s= 20-3t-3-7s= -37+3t

s +3t = 10 (I) -7s -3t = -34 (II)
s +3t = 10 (I) -7s -3t = -34 (II)

langsame Rechnung einblenden7·(I) + 1·(II)

1s 3t = 10 (I) ( 7 -7 )s +( 21 -3 )t = ( 70 -34 ) (II)
s +3t = 10 (I) +18t = 36 (II)
Zeile (II): +18t = 36

t = 2

eingesetzt in Zeile (I):

s +3·(2 ) = 10 | -6
1 s = 4 | : 1

s = 4

L={(4 |2 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 4min und das Flugzeug F2 nach 2min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 4min bei ( 10 -3 0.5 ) +4 ( 1 -7 0.5 ) = ( 14 -31 2.5 ) , während das Flugzeug F2 nach 2min bei ( 20 -37 1.1 ) +2 ( -3 3 0.4 ) = ( 14 -31 1.9 ) ist.

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

2.5 - 1.9 = 0.6 km

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|40|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (160|200|110) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 990m erreicht?

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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 = ( 0 40 30 ) +t ( 80 80 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 30 auf 990m (also 960m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 960 40 min = 24min lang steigen (bzw. sinken).

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (240|-160|70) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 730m erreicht?

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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 = ( -30 20 10 ) +t ( 90 -60 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 10 auf 730m (also 720m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 720 20 min = 36min lang steigen (bzw. sinken).