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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|50|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-1000|-400|350) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 12s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB → = ( -900 -450 300 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -900 -450 300 ) = ( -300 -150 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -100 50 50 ) +t⋅ ( -300 -150 100 ) 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 → = ( -100 50 50 ) +12⋅ ( -300 -150 100 ) = ( -3700 -1750 1250 ) , also im Punkt P(-3700|-1750|1250).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|200|50) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-800|-400|250) angelangt.
Wie weit ist die Rakete nach 6s geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB → = ( -900 -600 200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -900 -600 200 ) = ( -450 -300 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 100 200 50 ) +t⋅ ( -450 -300 100 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 6 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 100 200 50 ) +6⋅ ( -450 -300 100 ) = ( -2600 -1600 650 ) , also im Punkt P(-2600|-1600|650).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(100|200|50) nach P(-2600|-1600|650) bewegt, also um den Vektor AP → = ( -2700 -1800 600 ) . Dessen Länge ist (-2700) 2 + (-1800)2 + 600 2 = 10890000 = 3300m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|50|20) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (160|370|60) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB → = ( 160 320 40 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( 160 320 40 ) = ( 40 80 10 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 40 2 + 802 + 10 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|-50|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (-140|70|90) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 630m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB → = ( -120 120 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -120 120 60 ) = ( -60 60 30 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -20 -50 30 ) +t⋅ ( -60 60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 30m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 30 auf 630m (also 600m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 600 30 min = 20min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|40|50) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 324km/h in Richtung des Punktes B (670|-280|130) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt es im Punkt B an?

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Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 324000 m 3600 s = 90 m s .
Die Länge des Vektors AB → = ( 640 -320 80 ) ist 640 2 + (-320)2 + 80 2 = 518400 = 720 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 90 m s . braucht er für diese Strecke 720 90 s = 8s.
Punkt B wird als nach 8s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-15|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-84|57|-72) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 4,62 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor AB → = ( -84 72 -72 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -84 72 -72 ) = ( -21 18 -18 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( 0 -15 0 ) +t⋅ ( -21 18 -18 ) 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 = (-21) 2 + 182 + (-18) 2 = 1089 = 33.
Die Geschwindigkeit ist also v=33 m min
Für die Strecke von 4.62 km braucht es also 4620 33 min = 140min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 0 -15 0 ) +140⋅ ( -21 18 -18 ) = ( -2940 2505 -2520 ) , also im Punkt P(-2940|2505|-2520).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -2520 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -1 0 1 ) +t⋅ ( -30 11 -2 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (31|-6|8) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-29|18|0) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 5s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 2s den Vektor AB → = ( -60 24 -8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -60 24 -8 ) = ( -30 12 -4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 31 -6 8 ) +t⋅ ( -30 12 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 5s an der Stelle P1 ( -1 0 1 ) +5⋅ ( -30 11 -2 ) = ( -151 55 -9 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 31 -6 8 ) +5⋅ ( -30 12 -4 ) = ( -119 54 -12 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-151|55|-9) und P2(-119|54|-12):
P1P2 → = ( -119-( - 151 ) 54-55 -12-( - 9 ) ) = ( 32 -1 -3 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 32 -1 -3 ) | = 32 2 + (-1)2 + (-3) 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 → = ( -4 6 0,9 ) +t⋅ ( -9 -7 0,2 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-67|-64|0) . Nach 3h ist er im Punkt B (-67|-43|0,9) 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 → = ( 0 21 0.9 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( 0 21 0.9 ) = ( 0 7 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -67 -64 0 ) +t⋅ ( 0 7 0.3 ) 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 +0,9 = 0,3t +0
0,2t +0,9 = 0,3t | -0,9 -0,3t
-0,1t = -0,9 |:(-0,1 )
t = 9

nach 9 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,2⋅9 +0,9 = 2.7 = 0,3⋅9 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (8|5|0,8) . Nach 3s ist sie im Punkt B (-4|-10|1,4) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 16 9 0,5 ) +t⋅ ( -3 -3 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 3s den Vektor AB → = ( -12 -15 0.6 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -12 -15 0.6 ) = ( -4 -5 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 8 5 0.8 ) +t⋅ ( -4 -5 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.

( 16 9 0.5 ) +s⋅ ( -3 -3 0.3 ) = ( 8 5 0.8 ) +t⋅ ( -4 -5 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

16-3s= 8-4t9-3s= 5-5t

-3s +4t = -8 (I) -3s +5t = -4 (II)
-3s +4t = -8 (I) -3s +5t = -4 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) -1·(II)

-3s 4t = -8 (I) ( -3 +3 )s +( 4 -5 )t = ( -8 +4 ) (II)
-3s +4t = -8 (I) -1t = -4 (II)
Zeile (II): -1t = -4

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

-3s +4·(4 ) = -8 | -16
-3 s = -24 | : (-3)

s = 8

L={(8 |4 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 8s und die Seilbahngondel nach 4s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 8s bei ( 16 9 0.5 ) +8⋅ ( -3 -3 0.3 ) = ( -8 -15 2.9 ) , während die Seilbahngondel nach 4s bei ( 8 5 0.8 ) +4⋅ ( -4 -5 0.2 ) = ( -8 -15 1.6 ) ist.

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

2.9 - 1.6 = 1.3 m

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (110|-100|80) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 6min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB → = ( 60 -60 30 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 50 -40 50 ) +t⋅ ( 60 -60 30 ) 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 → = ( 50 -40 50 ) +6⋅ ( 60 -60 30 ) = ( 410 -400 230 ) , also im Punkt P(410|-400|230).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(50|-40|50) nach P(410|-400|230) bewegt, also um den Vektor AP → = ( 360 -360 180 ) . Dessen Länge ist 360 2 + (-360)2 + 180 2 = 291600 = 540m.

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-20|50) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-10|-80|80) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 260m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB → = ( -60 -60 30 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -60 -60 30 ) = ( -20 -20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 50 -20 50 ) +t⋅ ( -20 -20 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 10m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 50 auf 260m (also 210m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 210 10 min = 21min lang steigen (bzw. sinken).