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nach x Minuten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (40|-20|10) (alle Angaben in Meter). Nach 4min ist er im Punkt B (280|220|130) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h?
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 8min?
Wie weit ist der Heißluftballon dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem der Heißluftballon steigt?
Wann hat er die Höhe von 1450m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 4min den Vektor AB = ( 240 240 120 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( 240 240 120 ) = ( 60 60 30 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 60 2 + 602 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m min = 5.4 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( 40 -20 10 ) +t ( 60 60 30 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann. Nach 8 min befindet es sich also im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 40 -20 10 ) +8 ( 60 60 30 ) = ( 520 460 250 ) , also im Punkt P(520|460|250).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(40|-20|10) nach P(520|460|250) bewegt, also um den Vektor AP = ( 480 480 240 ) . Dessen Länge ist 480 2 + 4802 + 240 2 = 518400 = 720 (in m).

Den Steigungswinkel kann man einfach als Schnittwinkel der Geraden mit der (horizontalen) x1-x2-Ebene berechnen. Die x1-x2-Ebene hat die Gleichung x3=0 und den Normalenvektor n = ( 0 0 1 ) .
Daraus ergibt sich für den Steigungswinkel α: sin(α)= | ( 60 60 30 ) ( 0 0 1 ) | | ( 60 60 30 ) | | ( 0 0 1 ) | = | 600 + 600 + 301 | 60 2 + 602 + 30 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 30 | 8100 1 0.3333 => α=19.5°

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 30m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 10 auf 1450m (also 1440m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1440 30 min = 48min lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-250|-150|150) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1260km/h in Richtung des Punktes B (50|450|350) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?
Wann hat die Rakete die (absolute) Höhe von 1950m erreicht? In welchem Punkt befindet es sich dann?

Lösung einblenden

Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 1260000 m 3600 s = 350 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 300 600 200 ) ist 300 2 + 6002 + 200 2 = 490000 = 700 (in m).
Bei einer Geschwindigkeit von 350 m s . braucht er für diese Strecke 700 350 s = 2s.
Punkt B wird als nach 2s erreicht.

In einer s wird also der Vektor 1 2 ( 300 600 200 ) = ( 150 300 100 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( -250 -150 150 ) +t ( 150 300 100 ) 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 150 auf 1950m (also 1800m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1800 100 s = 18s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( -250 -150 150 ) +18 ( 150 300 100 ) = ( 2450 5250 1950 )
Also im Punkt P(2450|5250|1950).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (6|6|0) (alle Angaben in Meter). Da der Wind extrem gleichmäßig ist, fliegt er mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geradlinigen Bahn. Nach 1min ist er im Punkt B (60|42|12) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 11,88 km zurückgelegt hat?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1 min den Vektor AB = ( 54 36 12 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 6 6 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 + 362 + 12 2 = 4356 = 66.
Die Geschwindigkeit ist also v=66 m min
Für die Strecke von 11.88 km braucht es also 11880 66 min = 180min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 6 6 0 ) +180 ( 54 36 12 ) = ( 9726 6486 2160 ) , also im Punkt P(9726|6486|2160).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 2160 (in m).

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 43 -7 2,1 ) +t ( -8 -1 0,3 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (5|0|0,5) . Nach 1min ist es im Punkt B (12|-5|1) angelangt.
Wann sind die beiden Flugzeuge auf gleicher Höhe?
Wie weit sind die beiden Flugzeuge von einander entfernt, wenn F1 genau senkrecht über oder unter der Flugbahn von F2 ist?
Ein Beobachter steht direkt senkrecht unter dem scheinbaren Schnittpunkt der beiden Flugbahnen. Wie hoch ist an dieser Stelle der Höhenunterschied der beiden Flugbahnen tatsächlich?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 1min den Vektor AB = ( 7 -5 0.5 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 5 0 0.5 ) +t ( 7 -5 0.5 ) 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 +2,1 = 0,5t +0,5 | -2,1 -0,5t
-0,2t = -1,6 |:(-0,2 )
t = 8

nach 8 min sind also das Flugzeug F1 und das Flugzeug F2 auf gleicher Höhe: 0,38 +2,1 = 4.5 = 0,58 +0,5


Das Flugzeug F1 ist genau dann unter/über der Flugbahn von F2, wenn die x1- und x2-Koordinaten der beiden Geradengleichungen übereinstimmen. Da aber höchstwahrscheinlich das Flugzeug F2 zu einem anderen Zeitpunkt genau unter oder über der Flugbahn von F1 ist, müssen wir verschiedene Parameter in die beiden Geradengleichungen einsetzen.

( 43 -7 2.1 ) +s ( -8 -1 0.3 ) = ( 5 0 0.5 ) +t ( 7 -5 0.5 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

43-8s= 5+7t-7-1s= 0-5t

-8s -7t = -38 (I) -1s +5t = 7 (II)
-8s -7t = -38 (I) -1s +5t = 7 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) -8·(II)

-8s -7t = -38 (I) ( -8 +8 )s +( -7 -40 )t = ( -38 -56 ) (II)
-8s -7t = -38 (I) -47t = -94 (II)
Zeile (II): -47t = -94

t = 2

eingesetzt in Zeile (I):

-8s -7·(2 ) = -38 | +14
-8 s = -24 | : (-8)

s = 3

L={(3 |2 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 3min und das Flugzeug F2 nach 2min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 3min bei ( 43 -7 2.1 ) +3 ( -8 -1 0.3 ) = ( 19 -10 3 ) , während das Flugzeug F2 nach 3min bei ( 5 0 0.5 ) +3 ( 7 -5 0.5 ) = ( 26 -15 2 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(19|-10|3) und P2(26|-15|2):
P1P2 = ( 26-19 -15-( - 10 ) 2-3 ) = ( 7 -5 -1 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 7 -5 -1 ) | = 7 2 + (-5)2 + (-1) 2 = 75 ≈ 8.6602540378444

Der Abstand der beiden Objekte nach 3min ist also 74.9956 km ≈ 8.66 km


Auch den scheinbaren Schnittpunkt, den der genau darunter stehende Beobachter sieht, berechnet man indem man die x1- und x2-Koordinaten der beiden Geradengleichungen gleichsetzt.

( 43 -7 2.1 ) +s ( -8 -1 0.3 ) = ( 5 0 0.5 ) +t ( 7 -5 0.5 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

43-8s= 5+7t-7-1s= 0-5t

-8s -7t = -38 (I) -1s +5t = 7 (II)
-8s -7t = -38 (I) -1s +5t = 7 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) -8·(II)

-8s -7t = -38 (I) ( -8 +8 )s +( -7 -40 )t = ( -38 -56 ) (II)
-8s -7t = -38 (I) -47t = -94 (II)
Zeile (II): -47t = -94

t = 2

eingesetzt in Zeile (I):

-8s -7·(2 ) = -38 | +14
-8 s = -24 | : (-8)

s = 3

L={(3 |2 )}

Das heißt also, dass das Flugzeug F1 nach 3min und das Flugzeug F2 nach 2min an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

das Flugzeug F1 ist also nach 3min bei ( 43 -7 2.1 ) +3 ( -8 -1 0.3 ) = ( 19 -10 3 ) , während das Flugzeug F2 nach 2min bei ( 5 0 0.5 ) +2 ( 7 -5 0.5 ) = ( 19 -10 1.5 ) ist.

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

3 - 1.5 = 1.5 km

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -9 4 0 ) +t ( -80 -2 11 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (152|16|-16) . Nach 4min ist es im Punkt B (-168|0|32) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 5min von einander entfernt?
Wie groß ist der kleinste Abstand der beiden Flugbahnen?
Zu welchem Zeitpunkt kommen sich die beiden Flugzeuge am nächsten? Wie weit sind sie dann voneinander entfernt?

Lösung einblenden

Das Flugzeug F2 legt in 4min den Vektor AB = ( -320 -16 48 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 4 ( -320 -16 48 ) = ( -80 -4 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 152 16 -16 ) +t ( -80 -4 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 5min an der Stelle P1 ( -9 4 0 ) +5 ( -80 -2 11 ) = ( -409 -6 55 ) und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 ( 152 16 -16 ) +5 ( -80 -4 12 ) = ( -248 -4 44 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-409|-6|55) und P2(-248|-4|44):
P1P2 = ( -248-( - 409 ) -4-( - 6 ) 44-55 ) = ( 161 2 -11 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 161 2 -11 ) | = 161 2 + 22 + (-11) 2 = 26046 ≈ 161.38773187575

Der Abstand ist also ca. 161.39 km.


Um den kleinsten Abstand der beiden Bewegungsbahnen zu erhalten müssen wir die klassische Rechnung zur Bestimmung des Abstands zweier windschieder Geraden durchführen:

Zuerst bilden wir eine Ebene, welche die Gerade h: x = ( 152 16 -16 ) +t ( -80 -4 12 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( -9 4 0 ) +t ( -80 -2 11 ) ist, also x = ( 152 16 -16 ) + r ( -80 -4 12 ) + s ( -80 -2 11 )
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

n = ( -80 -2 11 ) × ( -80 -4 12 ) = ( -2 · 12 - 11 · ( -4 ) 11 · ( -80 ) - ( -80 ) · 12 -80 · ( -4 ) - ( -2 ) · ( -80 ) ) = ( -24 +44 -880 +960 320 -160 ) = ( 20 80 160 ) = 20⋅ ( 1 4 8 )

Wenn wir den Aufpunkt von h Ah(152|16|-16) in die allgemeine Ebenengleichung x 1 +4 x 2 +8 x 3 = d einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

x 1 +4 x 2 +8 x 3 = 88

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( -9 4 0 ) +t ( -80 -2 11 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (-9|4|0), nehmen und den Abstand zwischen diesem Punkt und der Ebene mit Hilfe der Hesse-Formel (Abstand Punkt-Ebene) berechnen. Dieser Abstand ist auch der Abstand der beiden windschiefen Geraden zueinander.

Wir berechnen den Abstand zwischen Punkt und Ebene mittels der Hesse'schen Normalenform.

d = | 1 ( - 9 )+4 4+8 0-88 | 1 2 + 4 2 + 8 2
= | -81 | 81 = 81 9 = 9

Alternativer (kürzerer) Lösungsweg mit Formel einblenden

Der Abstand der beiden Bewegungsbahnen beträgt somit 9 km


Um aber den geringsten Abstand der beiden Bewegungsobjekte zu berechnen, müssten wir den Abstand der beiden Positionen zu einer Zeit t bestimmen. Die aktuelle Position zum Zeitpunkt t lässt sich durch den allgemeinen Geradenpunkt darstellen.

Wir suchen also das t, so dass der Abstand zwischen G1 t ( -9 -80 t | 4 -2 t | 0 +11 t ) und G2 t ( 152 -80 t | 16 -4 t | -16 +12 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 152-80t 16-4t -16+12t ) - ( -9-80t 4-2t 0+11t ) | = | ( 161+0t 12-2t -16+1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( 0 +161 ) 2 + ( -2t +12 ) 2 + ( t -16 ) 2
= 25921 +4 t 2 -48t +144 + t 2 -32t +256
= 5 t 2 -80t +26321

da a < b a < b können wir auch das Minimum der quadratischen Funktion unter der Wurzel bestimmen, um die gesuchte Zeit t zu erhalten. Dazu leiten wir diese erst mal zwei mal ab:

f'(t)= 10x -80 +0

f''(t)= 10 +0+0

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 8 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 10 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 8 .

der minimale Abstand ist also d( 8 )= 5 8 2 -808 +26321 = 26001 ≈ 161.2 (in km)

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|0|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|72|18) angelangt.
Welche Höhe hat der Heißluftballon, wenn er 4,32 km zurückgelegt hat?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 3 min den Vektor AB = ( -144 72 18 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 3 ( -144 72 18 ) = ( -48 24 6 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 0 0 0 ) +t ( -48 24 6 ) 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 = (-48) 2 + 242 + 6 2 = 2916 = 54.
Die Geschwindigkeit ist also v=54 m min
Für die Strecke von 4.32 km braucht es also 4320 54 min = 80min
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 0 0 0 ) +80 ( -48 24 6 ) = ( -3840 1920 480 ) , also im Punkt P(-3840|1920|480).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 480 (in m).

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -3 -4 -2 ) +t ( -2 -10 11 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (7|20|-22) . Nach 2min ist es im Punkt B (-1|0|2) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 4min von einander entfernt?
Zu welchem Zeitpunkt kommen sich die beiden Flugzeuge am nächsten? Wie weit sind sie dann voneinander entfernt?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 2min den Vektor AB = ( -8 -20 24 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -8 -20 24 ) = ( -4 -10 12 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 7 20 -22 ) +t ( -4 -10 12 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

F1 ist nach 4min an der Stelle P1 ( -3 -4 -2 ) +4 ( -2 -10 11 ) = ( -11 -44 42 ) und F2 an der Stelle P2 ( 7 20 -22 ) +4 ( -4 -10 12 ) = ( -9 -20 26 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-11|-44|42) und P2(-9|-20|26):
P1P2 = ( -9-( - 11 ) -20-( - 44 ) 26-42 ) = ( 2 24 -16 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 2 24 -16 ) | = 2 2 + 242 + (-16) 2 = 836 ≈ 28.913664589602

Der Abstand ist also ca. 28.91 km.


Um aber den geringsten Abstand der beiden Bewegungsobjekte zu berechnen, müssten wir den Abstand der beiden Positionen zu einer Zeit t bestimmen. Die aktuelle Position zum Zeitpunkt t lässt sich durch den allgemeinen Geradenpunkt darstellen.

Wir suchen also das t, so dass der Abstand zwischen G1 t ( -3 -2 t | -4 -10 t | -2 +11 t ) und G2 t ( 7 -4 t | 20 -10 t | -22 +12 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 7-4t 20-10t -22+12t ) - ( -3-2t -4-10t -2+11t ) | = | ( 10-2t 24+0t -20+1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( -2t +10 ) 2 + ( 0 +24 ) 2 + ( t -20 ) 2
= 4 t 2 -40t +100 +576 + t 2 -40t +400
= 5 t 2 -80t +1076

da a < b a < b können wir auch das Minimum der quadratischen Funktion unter der Wurzel bestimmen, um die gesuchte Zeit t zu erhalten. Dazu leiten wir diese erst mal zwei mal ab:

f'(t)= 10x -80 +0

f''(t)= 10 +0+0

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 8 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 10 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 8 .

der minimale Abstand ist also d( 8 )= 5 8 2 -808 +1076 = 756 ≈ 27.5

Nicht lineare Bewegung

Beispiel:

Ein Fußballtorwart führt eine Abschlag auf einem Fußballplatz durch, der durch die x1x2-Ebene beschrieben wird. Die Bahn des Fußballs kann mithilfe der Punkte Xt( 10t +3 | 24t -3 | - t 2 +1,7t ) beschrieben werden; dabei ist t die seit dem Abschlag vergangene Zeit in Sekunden (Eine Längeneinheit im Koordinatensystem entspricht 1 m in der Realität). Auf dieser Bahn fliegt der Ball auf den Fußballplatz.
Berechne die Weite des Abschlags, also die Entfernung zwischen dem Punkt des Abstoßes und dem Punkt, bei dem der Ball das erste mal wieder auf dem Boden landet.

Lösung einblenden

Zuerst berechnen den t-Wert, an dem der Fußball auf die x1x2-Ebene trifft, also wenn x3= 0 ist:

- x 2 +1,7x = 0
x · ( -x +1,7 ) = 0

Ein Produkt ist genau dann =0, wenn mindestens einer der beiden Faktoren =0 ist.

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

-x +1,7 = 0 | -1,7
-x = -1,7 |:(-1 )
x2 = 1,7

Das heißt also, dass der Fußball nach 1,7 s in der x1x2-Ebene angekommen ist. Wenn wir t = 1,7 in den Punkt Xt einsetzen, erhalten wir L( 101,7 +3 | 241,7 -3 | - 1,7 2 +1,71,7 ) = L(20|37.8|0) als den Landepunkt.

Da ja der Fußball im Punkt A(3|-3|0) losgeflogen ist, können wir die gesuchte Weite einfach als Länge des
Vektors AL = ( 20-3 37.8-( - 3 ) 0-0 ) = ( 17 40.8 0 ) berechnen:

d = 17 2 + 40.82 + 0 2 = 44,2