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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-50|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-130|-190|160) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 9min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -120 -140 120 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -120 -140 120 ) = ( -60 -70 60 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -10 -50 40 ) +t ( -60 -70 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 = ( -10 -50 40 ) +9 ( -60 -70 60 ) = ( -550 -680 580 ) , also im Punkt P(-550|-680|580).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-250|-100|250) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-850|200|450) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 9s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -600 300 200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -600 300 200 ) = ( -300 150 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -250 -100 250 ) +t ( -300 150 100 ) 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 = ( -250 -100 250 ) +9 ( -300 150 100 ) = ( -2950 1250 1150 ) , also im Punkt P(-2950|1250|1150).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-250|-100|250) nach P(-2950|1250|1150) bewegt, also um den Vektor AP = ( -2700 1350 900 ) . Dessen Länge ist (-2700) 2 + 13502 + 900 2 = 9922500 = 3150m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|50|250) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (50|-50|300) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -100 -100 50 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-100) 2 + (-100)2 + 50 2 = 22500 = 150.
Die Geschwindigkeit ist also v=150 m s = 540 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (250|-100|250) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (2050|-1300|650) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 2650m erreicht?

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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 = ( 250 -100 250 ) +t ( 450 -300 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 100m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 250 auf 2650m (also 2400m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 2400 100 s = 24s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|200|150) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1980km/h in Richtung des Punktes B (-1800|2300|1950) (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 = ( -1800 2100 1800 ) ist (-1800) 2 + 21002 + 1800 2 = 10890000 = 3300 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 550 m s . braucht er für diese Strecke 3300 550 s = 6s.
Punkt B wird als nach 6s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-40|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-130|-250|160) angelangt.
Welche Höhe hat das Flugzeug, wenn es 12,6 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 s den Vektor AB = ( -120 -210 120 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -120 -210 120 ) = ( -40 -70 40 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -10 -40 40 ) +t ( -40 -70 40 ) 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 = (-40) 2 + (-70)2 + 40 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s
Für die Strecke von 12.6 km braucht es also 12600 90 s = 140s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -10 -40 40 ) +140 ( -40 -70 40 ) = ( -5610 -9840 5640 ) , also im Punkt P(-5610|-9840|5640).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 5640 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (24|-3|-7) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-21|-9|11) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -8 -10 -1 ) +t ( -15 0 5 ) . (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 3min den Vektor AB = ( -45 -6 18 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -45 -6 18 ) = ( -15 -2 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 24 -3 -7 ) +t ( -15 -2 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5min an der Stelle P1 ( -8 -10 -1 ) +5 ( -15 0 5 ) = ( -83 -10 24 ) ; Der Heißluftballon an der Stelle P2 ( 24 -3 -7 ) +5 ( -15 -2 6 ) = ( -51 -13 23 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-83|-10|24) und P2(-51|-13|23):
P1P2 = ( -51-( - 83 ) -13-( - 10 ) 23-24 ) = ( 32 -3 -1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 32 -3 -1 ) | = 32 2 + (-3)2 + (-1) 2 = 1034 ≈ 32.155870381627

Der Abstand ist also ca. 32.16 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -2 4 1 ) +t ( 1 -2 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (16|24|0) . Nach 1h ist er im Punkt B (14|20|0,4) 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 = ( -2 -4 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 16 24 0 ) +t ( -2 -4 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 +1 = 0,4t +0
0,3t +1 = 0,4t | -1 -0,4t
-0,1t = -1 |:(-0,1 )
t = 10

nach 10 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,310 +1 = 4 = 0,410 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (3|-3|0,6) . Nach 5s ist sie im Punkt B (3|7|2,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 75 50 1,1 ) +t ( -8 -5 0,3 ) . (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 = ( 0 10 2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( 0 10 2 ) = ( 0 2 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 3 -3 0.6 ) +t ( 0 2 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.

( 75 50 1.1 ) +s ( -8 -5 0.3 ) = ( 3 -3 0.6 ) +t ( 0 2 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

75-8s= 3+0t50-5s= -3+2t

-8s = -72 (I) -5s -2t = -53 (II)
-8s = -72 (I) -5s -2t = -53 (II)

langsame Rechnung einblenden5·(I) -8·(II)

-8s = -72 (I) ( -40 +40 )s +(0 +16 )t = ( -360 +424 ) (II)
-8s = -72 (I) +16t = 64 (II)
Zeile (II): +16t = 64

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

-8s = -72

s = 9

L={(9 |4 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 9s und die Seilbahngondel nach 4s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 9s bei ( 75 50 1.1 ) +9 ( -8 -5 0.3 ) = ( 3 5 3.8 ) , während die Seilbahngondel nach 4s bei ( 3 -3 0.6 ) +4 ( 0 2 0.4 ) = ( 3 5 2.2 ) ist.

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

3.8 - 2.2 = 1.6 m

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|-10|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (150|-130|40) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 10min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( 180 -120 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 180 -120 40 ) = ( 90 -60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -30 -10 0 ) +t ( 90 -60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 10 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 -10 0 ) +10 ( 90 -60 20 ) = ( 870 -610 200 ) , also im Punkt P(870|-610|200).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-30|-10|0) nach P(870|-610|200) bewegt, also um den Vektor AP = ( 900 -600 200 ) . Dessen Länge ist 900 2 + (-600)2 + 200 2 = 1210000 = 1100m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-150|250|150) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (150|550|300) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 300 300 150 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 300 2 + 3002 + 150 2 = 202500 = 450.
Die Geschwindigkeit ist also v=450 m s = 1620 km h