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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-50|40) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (140|190|120) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 12min?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 120 240 80 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 120 240 80 ) = ( 30 60 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 20 -50 40 ) +t ( 30 60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 12 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 20 -50 40 ) +12 ( 30 60 20 ) = ( 380 670 280 ) , also im Punkt P(380|670|280).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|50|40) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (300|-130|100) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 8s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( 270 -180 60 ) zurück.
In 1s 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 50 40 ) +t ( 90 -60 20 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 s befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 30 50 40 ) +8 ( 90 -60 20 ) = ( 750 -430 200 ) , also im Punkt P(750|-430|200).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(30|50|40) nach P(750|-430|200) bewegt, also um den Vektor AP = ( 720 -480 160 ) . Dessen Länge ist 720 2 + (-480)2 + 160 2 = 774400 = 880m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-150|0|100) (alle Angaben in Meter). Nach 3s ist es im Punkt B (-1350|-1200|700) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3s den Vektor AB = ( -1200 -1200 600 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 3 ( -1200 -1200 600 ) = ( -400 -400 200 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-400) 2 + (-400)2 + 200 2 = 360000 = 600.
Die Geschwindigkeit ist also v=600 m s = 2160 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-100|0|50) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (300|-800|150) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 1350m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( 400 -800 100 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( 400 -800 100 ) = ( 200 -400 50 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -100 0 50 ) +t ( 200 -400 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 50 auf 1350m (also 1300m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1300 50 s = 26s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|10|10) und fliegt mit einer Geschwindigkeit von 324km/h in Richtung des Punktes B (-70|-70|20) (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 = ( -40 -80 10 ) ist (-40) 2 + (-80)2 + 10 2 = 8100 = 90 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 90 m s . braucht er für diese Strecke 90 90 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-6|-15|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (30|-51|-18) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 5,4 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( 36 -36 -18 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 36 -36 -18 ) = ( 18 -18 -9 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -6 -15 0 ) +t ( 18 -18 -9 ) 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 = 18 2 + (-18)2 + (-9) 2 = 729 = 27.
Die Geschwindigkeit ist also v=27 m min
Für die Strecke von 5.4 km braucht es also 5400 27 min = 200min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -6 -15 0 ) +200 ( 18 -18 -9 ) = ( 3594 -3615 -1800 ) , also im Punkt P(3594|-3615|-1800).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -1800 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -10 10 2 ) +t ( 15 13 -24 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-20|4|33) . Nach 4min ist es im Punkt B (44|52|-63) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 2min von einander entfernt?

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F2 legt in 4min den Vektor AB = ( 64 48 -96 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 64 48 -96 ) = ( 16 12 -24 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -20 4 33 ) +t ( 16 12 -24 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 2min an der Stelle P1 ( -10 10 2 ) +2 ( 15 13 -24 ) = ( 20 36 -46 ) ; F2 an der Stelle P2 ( -20 4 33 ) +2 ( 16 12 -24 ) = ( 12 28 -15 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(20|36|-46) und P2(12|28|-15):
P1P2 = ( 12-20 28-36 -15-( - 46 ) ) = ( -8 -8 31 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -8 -8 31 ) | = (-8) 2 + (-8)2 + 31 2 = 1089 = 33

Der Abstand ist also ca. 33 km.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (31|26|1) . Nach 1s ist sie im Punkt B (23|16|1,2) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -10 -8 0,7 ) +t ( 9 -6 0,3 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Seilbahngondel und die Drohne auf gleicher Höhe?

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Die Seilbahngondel legt in 1s den Vektor AB = ( -8 -10 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 31 26 1 ) +t ( -8 -10 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 | -0,7 -0,2t
0,1t = 0,3 |:0,1
t = 3

nach 3 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,33 +0,7 = 1.6 = 0,23 +1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-1|-3|0,6) . Nach 1s ist sie im Punkt B (6|6|1) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 24 48 1,8 ) +t ( -3 -7 0,2 ) . (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 1s den Vektor AB = ( 7 9 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -1 -3 0.6 ) +t ( 7 9 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.

( 24 48 1.8 ) +s ( -3 -7 0.2 ) = ( -1 -3 0.6 ) +t ( 7 9 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

24-3s= -1+7t48-7s= -3+9t

-3s -7t = -25 (I) -7s -9t = -51 (II)
-3s -7t = -25 (I) -7s -9t = -51 (II)

langsame Rechnung einblenden7·(I) -3·(II)

-3s -7t = -25 (I) ( -21 +21 )s +( -49 +27 )t = ( -175 +153 ) (II)
-3s -7t = -25 (I) -22t = -22 (II)
Zeile (II): -22t = -22

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-3s -7·(1 ) = -25 | +7
-3 s = -18 | : (-3)

s = 6

L={(6 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 6s und die Seilbahngondel nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 6s bei ( 24 48 1.8 ) +6 ( -3 -7 0.2 ) = ( 6 6 3 ) , während die Seilbahngondel nach 1s bei ( -1 -3 0.6 ) +1 ( 7 9 0.4 ) = ( 6 6 1 ) ist.

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

3 - 1 = 2 m

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-200|-100|0) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-600|300|200) angelangt.
Wann hat die Rakete die Höhe von 1400m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB = ( -400 400 200 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ( -400 400 200 ) = ( -200 200 100 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -200 -100 0 ) +t ( -200 200 100 ) 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 0 auf 1400m (also 1400m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1400 100 s = 14s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|20|30) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (160|140|90) angelangt.
Gib die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h an?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB = ( 120 120 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( 120 120 60 ) = ( 40 40 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 40 2 + 402 + 20 2 = 3600 = 60.
Die Geschwindigkeit ist also v=60 m min = 3.6 km h