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Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (250|100|150) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (550|450|450) angelangt.
Wo ist die Rakete nach 9s?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 300 350 300 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 250 100 150 ) +t ( 300 350 300 ) 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 = ( 250 100 150 ) +9 ( 300 350 300 ) = ( 2950 3250 2850 ) , also im Punkt P(2950|3250|2850).

Strecke nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (-110|-80|20) angelangt.
Welche Strecke hat das Flugzeug nach 9s seit seinem Start zurückgelegt?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( -60 -30 20 ) zurück.

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 -50 0 ) +t ( -60 -30 20 ) 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 = ( -50 -50 0 ) +9 ( -60 -30 20 ) = ( -590 -320 180 ) , also im Punkt P(-590|-320|180).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-50|-50|0) nach P(-590|-320|180) bewegt, also um den Vektor AP = ( -540 -270 180 ) . Dessen Länge ist (-540) 2 + (-270)2 + 180 2 = 396900 = 630m.

Geschwindigkeit in km/h

Beispiel:

Eine Rakete startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-200|250) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (450|-500|350) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit der Rakete in km/h?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1s den Vektor AB = ( 450 -300 100 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 450 2 + (-300)2 + 100 2 = 302500 = 550.
Die Geschwindigkeit ist also v=550 m s = 1980 km h

Zeit zu gegebener Höhe gesucht

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (50|-50|0) (alle Angaben in Meter). Nach 4s ist es im Punkt B (-190|-290|120) angelangt.
Wann hat das Flugzeug die Höhe von 1200m erreicht?

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

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 50 -50 0 ) +t ( -60 -60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 30m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 0 auf 1200m (also 1200m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1200 30 s = 40s lang steigen (bzw. sinken).

Geschwindigkeit rückwärts

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (2|-2|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 10,8km/h in Richtung des Punktes B (14|-14|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= 10800 m 3600 s = 3 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 12 -12 -6 ) ist 12 2 + (-12)2 + (-6) 2 = 324 = 18 m.
Bei einer Geschwindigkeit von 3 m s . braucht er für diese Strecke 18 3 s = 6s.
Punkt B wird als nach 6s erreicht.

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Uboot startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-15|-9|0) (alle Angaben in Meter). Nach 3min geradliniger Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist es im Punkt B (-78|-45|-36) angelangt.
Wie tief ist das Uboot, wenn es 6,48 km zurückgelegt hat? (bitte als Höhe angeben, also mit negativem Vorzeichen)

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Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB = ( -63 -36 -36 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -63 -36 -36 ) = ( -21 -12 -12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -15 -9 0 ) +t ( -21 -12 -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 = (-21) 2 + (-12)2 + (-12) 2 = 729 = 27.
Die Geschwindigkeit ist also v=27 m min
Für die Strecke von 6.48 km braucht es also 6480 27 min = 240min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -15 -9 0 ) +240 ( -21 -12 -12 ) = ( -5055 -2889 -2880 ) , also im Punkt P(-5055|-2889|-2880).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also -2880 (in m).

Abstand zweier Objekte

Beispiel:

Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 2 0 0 ) +t ( -3 4 -2 ) . (alle Koordinaten in m; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn). Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (16|-2|6) . Nach 4s ist sie im Punkt B (4|14|-6) angelangt. Wie weit sind die Drohne und die Seilbahngondel nach 4s von einander entfernt?

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Die Seilbahngondel legt in 4s den Vektor AB = ( -12 16 -12 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -12 16 -12 ) = ( -3 4 -3 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 16 -2 6 ) +t ( -3 4 -3 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Die Drohne ist nach 4s an der Stelle P1 ( 2 0 0 ) +4 ( -3 4 -2 ) = ( -10 16 -8 ) ; Die Seilbahngondel an der Stelle P2 ( 16 -2 6 ) +4 ( -3 4 -3 ) = ( 4 14 -6 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-10|16|-8) und P2(4|14|-6):
P1P2 = ( 4-( - 10 ) 14-16 -6-( - 8 ) ) = ( 14 -2 2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 14 -2 2 ) | = 14 2 + (-2)2 + 2 2 = 204 ≈ 14.282856857086

Der Abstand ist also ca. 14.28 m.

Gleiche Höhe bei 2 Objekten

Beispiel:

Die Position eines Heißluftballon F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 10 -4 0,7 ) +t ( -7 0 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Stunden seit Beobachtungsbeginn). Ein zweiter Heißluftballon F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-10|-64|2,1) . Nach 5h ist er im Punkt B (-40|-14|2,6) 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 5h den Vektor AB = ( -30 50 0.5 ) zurück.
In 1h legt es also den Vektor 1 5 ( -30 50 0.5 ) = ( -6 10 0.1 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -10 -64 2.1 ) +t ( -6 10 0.1 ) 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 = 0,1t +2,1 | -0,7 -0,1t
0,2t = 1,4 |:0,2
t = 7

nach 7 h sind also beide auf gleicher Höhe: 0,37 +0,7 = 2.8 = 0,17 +2,1


Höhendifferenz der Flugbahnen

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-3|-5|0,6) . Nach 5s ist sie im Punkt B (2|15|2,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -41 53 1,3 ) +t ( 6 -6 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.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel legt in 5s den Vektor AB = ( 5 20 2 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 5 ( 5 20 2 ) = ( 1 4 0.4 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( -3 -5 0.6 ) +t ( 1 4 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.

( -41 53 1.3 ) +s ( 6 -6 0.3 ) = ( -3 -5 0.6 ) +t ( 1 4 0.4 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

-41+6s= -3+1t53-6s= -5+4t

6s -1t = 38 (I) -6s -4t = -58 (II)
6s -1t = 38 (I) -6s -4t = -58 (II)

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

6s -1t = 38 (I) ( 6 -6 )s +( -1 -4 )t = ( 38 -58 ) (II)
6s -1t = 38 (I) -5t = -20 (II)
Zeile (II): -5t = -20

t = 4

eingesetzt in Zeile (I):

6s -1(4 ) = 38 | +4
6 s = 42 | : 6

s = 7

L={(7 |4 )}

Das heißt also, dass die Drohne nach 7s und die Seilbahngondel nach 4s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne ist also nach 7s bei ( -41 53 1.3 ) +7 ( 6 -6 0.3 ) = ( 1 11 3.4 ) , während die Seilbahngondel nach 4s bei ( -3 -5 0.6 ) +4 ( 1 4 0.4 ) = ( 1 11 2.2 ) ist.

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

3.4 - 2.2 = 1.2 m

Ort nach t Zeiteinheiten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|30|30) (alle Angaben in Meter). Nach 2min ist er im Punkt B (70|150|90) angelangt.
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 9min?

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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 = ( -50 30 30 ) +t ( 60 60 30 ) 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 = ( -50 30 30 ) +9 ( 60 60 30 ) = ( 490 570 300 ) , also im Punkt P(490|570|300).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-30|30|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 2min ist er im Punkt B (54|78|48) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 6,48 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 2 min den Vektor AB = ( 84 48 48 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( 84 48 48 ) = ( 42 24 24 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( -30 30 0 ) +t ( 42 24 24 ) 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 = 42 2 + 242 + 24 2 = 2916 = 54.
Die Geschwindigkeit ist also v=54 m min
Für die Strecke von 6.48 km braucht es also 6480 54 min = 120min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( -30 30 0 ) +120 ( 42 24 24 ) = ( 5010 2910 2880 ) , also im Punkt P(5010|2910|2880).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 2880 (in m).