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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-40|30) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-30|-120|70) angelangt.
An welchem Ort befindet sich das Flugzeug nach 8s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB → = ( -80 -80 40 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -80 -80 40 ) = ( -20 -20 10 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 50 -40 30 ) +t⋅ ( -20 -20 10 ) 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 → = ( 50 -40 30 ) +8⋅ ( -20 -20 10 ) = ( -110 -200 110 ) , also im Punkt P(-110|-200|110).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|0|20) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (240|120|100) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 8s seit seinem Start zurückgelegt?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 0 0 20 ) +t⋅ ( 60 30 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 → = ( 0 0 20 ) +8⋅ ( 60 30 20 ) = ( 480 240 180 ) , also im Punkt P(480|240|180).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(0|0|20) nach P(480|240|180) bewegt, also um den Vektor AP → = ( 480 240 160 ) . Dessen Länge ist 480 2 + 2402 + 160 2 = 313600 = 560m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-50|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-330|270|170) angelangt.
Wie groß ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 4s den Vektor AB → = ( -320 320 160 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -320 320 160 ) = ( -80 80 40 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = (-80) 2 + 802 + 40 2 = 14400 = 120.
Die Geschwindigkeit ist also v=120 m s = 432 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|50|20) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (-160|140|80) angelangt.
Wann hat der Heißluftballon die Höhe von 440m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB → = ( -180 90 60 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( -180 90 60 ) = ( -60 30 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 20 50 20 ) +t⋅ ( -60 30 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 20 auf 440m (also 420m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 420 20 min = 21min lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-100|250) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2160km/h in Richtung des Punktes B (-2400|2300|1450) (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 → = ( -2400 2400 1200 ) ist (-2400) 2 + 24002 + 1200 2 = 12960000 = 3600 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 600 m s . braucht er für diese Strecke 3600 600 s = 6s.
Punkt B wird als nach 6s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (12|6|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (36|-18|-12) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 1,62 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 4 min den Vektor AB → = ( 24 -24 -12 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( 24 -24 -12 ) = ( 6 -6 -3 ) zurück.
Die Geradengleichung x → = ( 12 6 0 ) +t⋅ ( 6 -6 -3 ) 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 = 6 2 + (-6)2 + (-3) 2 = 81 = 9.
Die Geschwindigkeit ist also v=9 m min
Für die Strecke von 1.62 km braucht es also 1620 9 min = 180min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP → = ( 12 6 0 ) +180⋅ ( 6 -6 -3 ) = ( 1092 -1074 -540 ) , also im Punkt P(1092|-1074|-540).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -540 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 6 -2 -2 ) +t⋅ ( -80 -2 11 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (167|10|-18) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-153|-6|30) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 3s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB → = ( -320 -16 48 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ⋅ ( -320 -16 48 ) = ( -80 -4 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 167 10 -18 ) +t⋅ ( -80 -4 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 3s an der Stelle P1 ( 6 -2 -2 ) +3⋅ ( -80 -2 11 ) = ( -234 -8 31 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 167 10 -18 ) +3⋅ ( -80 -4 12 ) = ( -73 -2 18 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-234|-8|31) und P2(-73|-2|18):
P1P2 → = ( -73-( - 234 ) -2-( - 8 ) 18-31 ) = ( 161 6 -13 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 → | = | ( 161 6 -13 ) | = 161 2 + 62 + (-13) 2 = 26126 ≈ 161.63539216397

Der Abstand ist also ca. 161.64 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (63|-52|2,3) . Nach 5s ist sie im Punkt B (18|-27|3,8) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( -3 6 0,5 ) +t⋅ ( 8 -8 0,5 ) . (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 5s den Vektor AB → = ( -45 25 1.5 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ⋅ ( -45 25 1.5 ) = ( -9 5 0.3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( 63 -52 2.3 ) +t⋅ ( -9 5 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:

0,5t +0,5 = 0,3t +2,3 | -0,5 -0,3t
0,2t = 1,8 |:0,2
t = 9

nach 9 s sind also beide auf gleicher Höhe: 0,5⋅9 +0,5 = 5 = 0,3⋅9 +2,3


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-14|49|1,3) . Nach 2s ist sie im Punkt B (4|39|1,5) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x → = ( 4 -7 0,8 ) +t⋅ ( 2 4 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 2s den Vektor AB → = ( 18 -10 0.2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( 18 -10 0.2 ) = ( 9 -5 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x → = ( -14 49 1.3 ) +t⋅ ( 9 -5 0.1 ) 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.

( 4 -7 0.8 ) +s⋅ ( 2 4 0.2 ) = ( -14 49 1.3 ) +t⋅ ( 9 -5 0.1 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

4+2s= -14+9t-7+4s= 49-5t

2s -9t = -18 (I) 4s +5t = 56 (II)
2s -9t = -18 (I) 4s +5t = 56 (II)

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

2s -9t = -18 (I) ( 4 -4 )s +( -18 -5 )t = ( -36 -56 ) (II)
2s -9t = -18 (I) -23t = -92 (II)
Zeile (II): -23t = -92

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

2s -9·(4 ) = -18 | +36
2 s = 18 | : 2

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 ( 4 -7 0.8 ) +9⋅ ( 2 4 0.2 ) = ( 22 29 2.6 ) , während die Seilbahngondel nach 4s bei ( -14 49 1.3 ) +4⋅ ( 9 -5 0.1 ) = ( 22 29 1.7 ) ist.

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

2.6 - 1.7 = 0.9 m

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-40|-50|10) (alle Angaben in Meter). Nach 3min ist er im Punkt B (80|160|130) angelangt.
Wie weit ist der Heißluftballon nach 11min geflogen?

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Das Bewegungsobjekt legt in 3min den Vektor AB → = ( 120 210 120 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ⋅ ( 120 210 120 ) = ( 40 70 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( -40 -50 10 ) +t⋅ ( 40 70 40 ) 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 → = ( -40 -50 10 ) +11⋅ ( 40 70 40 ) = ( 400 720 450 ) , also im Punkt P(400|720|450).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-40|-50|10) nach P(400|720|450) bewegt, also um den Vektor AP → = ( 440 770 440 ) . Dessen Länge ist 440 2 + 7702 + 440 2 = 980100 = 990m.

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (30|-20|40) (alle Angaben in Meter). Nach 2s ist es im Punkt B (-110|60|120) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 840m erreicht?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2s den Vektor AB → = ( -140 80 80 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 2 ⋅ ( -140 80 80 ) = ( -70 40 40 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x → = ( 30 -20 40 ) +t⋅ ( -70 40 40 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 40m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 40 auf 840m (also 800m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 800 40 s = 20s lang steigen (bzw. sinken).