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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-250|100|250) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (800|1000|1150) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 4s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 1050 900 900 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 1050 900 900 ) = ( 350 300 300 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -250 100 250 ) +t ( 350 300 300 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 4 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -250 100 250 ) +4 ( 350 300 300 ) = ( 1150 1300 1450 ) , also im Punkt P(1150|1300|1450).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (10|-40|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-50|20|60) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 11min geflogen?

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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 = ( 10 -40 30 ) +t ( -20 20 10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 11 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 10 -40 30 ) +11 ( -20 20 10 ) = ( -210 180 140 ) , also im Punkt P(-210|180|140).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(10|-40|30) nach P(-210|180|140) bewegt, also um den Vektor AP = ( -220 220 110 ) . Dessen Länge ist (-220) 2 + 2202 + 110 2 = 108900 = 330m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|-10|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (100|-150|160) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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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. Dieser Vektor hat die Länge = 60 2 + (-70)2 + 60 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m min = 6.6 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (150|-250|200) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (1050|-1600|500) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 4100m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 900 -1350 300 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( 900 -1350 300 ) = ( 300 -450 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 150 -250 200 ) +t ( 300 -450 100 ) 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 200 auf 4100m (also 3900m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 3900 100 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 39,6km/h in Richtung des Punktes B (-25|-23|648) (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= 39600 m 3600 s = 11 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -27 -18 -6 ) ist (-27) 2 + (-18)2 + (-6) 2 = 1089 = 33 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 11 m s . braucht er für diese Strecke 33 11 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-18|12|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 (144|-96|36) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 10,56 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB = ( 162 -108 36 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 162 -108 36 ) = ( 54 -36 12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -18 12 0 ) +t ( 54 -36 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 = 54 2 + (-36)2 + 12 2 = 4356 = 66.
Die Geschwindigkeit ist also v=66 m min
Für die Strecke von 10.56 km braucht es also 10560 66 min = 160min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -18 12 0 ) +160 ( 54 -36 12 ) = ( 8622 -5748 1920 ) , also im Punkt P(8622|-5748|1920).

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

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -4 -1 -1 ) +t ( -40 0 5 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (117|9|-11) . Nach 1min ist es im Punkt B (77|7|-5) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 4min von einander entfernt?

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F2 legt in 1min den Vektor AB = ( -40 -2 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 117 9 -11 ) +t ( -40 -2 6 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 4min an der Stelle P1 ( -4 -1 -1 ) +4 ( -40 0 5 ) = ( -164 -1 19 ) ; F2 an der Stelle P2 ( 117 9 -11 ) +4 ( -40 -2 6 ) = ( -43 1 13 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-164|-1|19) und P2(-43|1|13):
P1P2 = ( -43-( - 164 ) 1-( - 1 ) 13-19 ) = ( 121 2 -6 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 121 2 -6 ) | = 121 2 + 22 + (-6) 2 = 14681 ≈ 121.16517651537

Der Abstand ist also ca. 121.17 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -1 -10 0,7 ) +t ( 1 2 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-13|4|0) . Nach 1min ist es im Punkt B (-4|3|0,4) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?

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Das Flugzeug F2 legt in 1min den Vektor AB = ( 9 -1 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -13 4 0 ) +t ( 9 -1 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 +0,7 = 0,4t +0
0,3t +0,7 = 0,4t | -0,7 -0,4t
-0,1t = -0,7 |:(-0,1 )
t = 7

nach 7 min sind also beide auf gleicher Höhe: 0,37 +0,7 = 2.8 = 0,47 +0


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (1|25|1,2) . Nach 2s ist sie im Punkt B (-15|13|2) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -2 9 0,5 ) +t ( -1 2 0,5 ) . (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 = ( -16 -12 0.8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -16 -12 0.8 ) = ( -8 -6 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 1 25 1.2 ) +t ( -8 -6 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.

( -2 9 0.5 ) +s ( -1 2 0.5 ) = ( 1 25 1.2 ) +t ( -8 -6 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-2-1s= 1-8t9+2s= 25-6t

-1s +8t = 3 (I) 2s +6t = 16 (II)
-1s +8t = 3 (I) 2s +6t = 16 (II)

langsame Rechnung einblenden2·(I) + 1·(II)

-1s 8t = 3 (I) ( -2 +2 )s +( 16 +6 )t = ( 6 +16 ) (II)
-1s +8t = 3 (I) +22t = 22 (II)
Zeile (II): +22t = 22

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-1s +8·(1 ) = 3 | -8
-1 s = -5 | : (-1)

s = 5

L={(5 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 5s und die Seilbahngondel nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 5s bei ( -2 9 0.5 ) +5 ( -1 2 0.5 ) = ( -7 19 3 ) , während die Seilbahngondel nach 1s bei ( 1 25 1.2 ) +1 ( -8 -6 0.4 ) = ( -7 19 1.6 ) ist.

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

3 - 1.6 = 1.4 m

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (100|150|100) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-200|450|250) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 1000m 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 = ( 100 150 100 ) +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 100 auf 1000m (also 900m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 900 50 s = 18s lang steigen (bzw. sinken).

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|40|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (100|160|100) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 820m 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 40 40 ) +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 40 auf 820m (also 780m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 780 30 min = 26min lang steigen (bzw. sinken).