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nach x Minuten

Beispiel:

Ein Heißluftballon startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-50|-30|20) (alle Angaben in Meter). Nach 1min ist er im Punkt B (40|30|40) angelangt.
Wie hoch ist die Geschwindigkeit des Heißluftballons in km/h?
An welchem Ort befindet sich der Heißluftballon nach 12min?
Wie weit ist der Heißluftballon dann geflogen?
Berechne den Winkel mit dem der Heißluftballon steigt?
Wann hat er die Höhe von 200m erreicht?

Lösung einblenden

Das Bewegungsobjekt legt in 1min den Vektor AB = ( 90 60 20 ) zurück. Dieser Vektor hat die Länge = 90 2 + 602 + 20 2 = 12100 = 110.
Die Geschwindigkeit ist also v=110 m min = 6.6 km h

Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g mit g: x = ( -50 -30 20 ) +t ( 90 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 = ( -50 -30 20 ) +12 ( 90 60 20 ) = ( 1030 690 260 ) , also im Punkt P(1030|690|260).

Das Bewegungsobjekt hat sich dann von A(-50|-30|20) nach P(1030|690|260) bewegt, also um den Vektor AP = ( 1080 720 240 ) . Dessen Länge ist 1080 2 + 7202 + 240 2 = 1742400 = 1320 (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)= | ( 90 60 20 ) ( 0 0 1 ) | | ( 90 60 20 ) | | ( 0 0 1 ) | = | 900 + 600 + 201 | 90 2 + 602 + 20 2 0 2 + 02 + 1 2
= | 20 | 12100 1 0.1818 => α=10.5°

In 1min steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um 20m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 20 auf 200m (also 180m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 180 20 min = 9min lang steigen (bzw. sinken).

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Eine Seilbahn fährt zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (0|-1|654) in der Bergstation los und fährt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 43,2km/h in Richtung des Punktes B (-24|23|642) (alle Koordinatenangaben in Meter). Ihre Bewegungsbahn soll als geradlinig angenommen werden.
Wann kommt die Seilbahngondel im Punkt B an?
Wann hat sie die (absolute) Höhe von 534m erreicht?
In welchem Punkt befindet die sich dann?

Lösung einblenden

Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 43200 m 3600 s = 12 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( -24 24 -12 ) ist (-24) 2 + 242 + (-12) 2 = 1296 = 36 (in m).
Bei einer Geschwindigkeit von 12 m s . braucht er für diese Strecke 36 12 s = 3s.
Punkt B wird als nach 3s erreicht.

In einer s wird also der Vektor 1 3 ( -24 24 -12 ) = ( -8 8 -4 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( 0 -1 654 ) +t ( -8 8 -4 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

In 1s steigt (bzw. sinkt) das Bewegungsobjekt um -4m (Änderung in der x3-Koordinate). Um von 654 auf 534m (also -120m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also -120 -4 s = 30s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( 0 -1 654 ) +30 ( -8 8 -4 ) = ( -240 239 534 )
Also im Punkt P(-240|239|534).

Höhe nach x Kilometern

Beispiel:

Ein Flugzeug startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (20|-40|50) (alle Angaben in Meter). Nach 1s ist es im Punkt B (80|-100|80) angelangt.
Welche (absolute) Höhe hat das Flugzeug, wenn es 10,8 km zurückgelegt hat?

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Das Bewegungsobjekt legt in 1 s den Vektor AB = ( 60 -60 30 ) zurück.
Die Geradengleichung x = ( 20 -40 50 ) +t ( 60 -60 30 ) beschreibt also den Ortsvektor zu dem Punkt, an dem sich das Bewegungsobjekt nach t s befindet.
Dieser Richtungsvektor (der in 1 s zurückgelegt wird) hat die Länge = 60 2 + (-60)2 + 30 2 = 8100 = 90.
Die Geschwindigkeit ist also v=90 m s
Für die Strecke von 10.8 km braucht es also 10800 90 s = 120s
Nach dieser Zeit befindet es sich dann im Punkt mit dem Ortsvektor
OP = ( 20 -40 50 ) +120 ( 60 -60 30 ) = ( 7220 -7240 3650 ) , also im Punkt P(7220|-7240|3650).

Die Höhe in diesem Punkt ist einfach die x3-Koordinate, also 3650 (in m).

Zwei Objekte - gleiche Höhe

Beispiel:

Die Gondel einer Seilbahn startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (1|-4|0,8) . Nach 4s ist sie im Punkt B (-15|-24|1,6) angelangt. Die Position einer Drohne zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 17 -14 1,1 ) +t ( -4 1 0,1 ) . (alle Koordinaten in Meter; t in Sekunden seit Beobachtungsbeginn).
Wann sind die Drohne und die Seilbahngondel auf gleicher Höhe?
Wie weit ist Drohne von der Seilbahngondel entfernt, wenn sie genau senkrecht über der Seilbahn ist?
Berechne zu diesem Zeitpunkt, an dem die Drohne genau über der Seilbahn ist, den vertikalen Höhenunterschied zwischen Drohne und Seilbahn an dieser Stelle.

Lösung einblenden

Die Seilbahngondel F2 legt in 4s den Vektor AB = ( -16 -20 0.8 ) zurück.
In 1s legt es also den Vektor 1 4 ( -16 -20 0.8 ) = ( -4 -5 0.2 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 1 -4 0.8 ) +t ( -4 -5 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:

0,1t +1,1 = 0,2t +0,8 | -1,1 -0,2t
-0,1t = -0,3 |:(-0,1 )
t = 3

nach 3 s sind also die Drohne F1 und die Seilbahngondel F2 auf gleicher Höhe: 0,13 +1,1 = 1.4 = 0,23 +0,8


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

( 17 -14 1.1 ) +s ( -4 1 0.1 ) = ( 1 -4 0.8 ) +t ( -4 -5 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

17-4s= 1-4t-14+1s= -4-5t

-4s +4t = -16 (I) s +5t = 10 (II)
-4s +4t = -16 (I) s +5t = 10 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) + 4·(II)

-4s 4t = -16 (I) ( -4 +4 )s +( 4 +20 )t = ( -16 +40 ) (II)
-4s +4t = -16 (I) +24t = 24 (II)
Zeile (II): +24t = 24

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-4s +4·(1 ) = -16 | -4
-4 s = -20 | : (-4)

s = 5

L={(5 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 5s und die Seilbahngondel F2 nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 5s bei ( 17 -14 1.1 ) +5 ( -4 1 0.1 ) = ( -3 -9 1.6 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 5s bei ( 1 -4 0.8 ) +5 ( -4 -5 0.2 ) = ( -19 -29 1.8 ) ist.

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-3|-9|1.6) und P2(-19|-29|1.8):
P1P2 = ( -19-( - 3 ) -29-( - 9 ) 1.8-1.6 ) = ( -16 -20 0.2 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( -16 -20 0.2 ) | = (-16) 2 + (-20)2 + 0.2 2 = 656.04 ≈ 25.613277806638

Der Abstand der beiden Objekte nach 5s ist also 655.8721 m ≈ 25.61 m


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

( 17 -14 1.1 ) +s ( -4 1 0.1 ) = ( 1 -4 0.8 ) +t ( -4 -5 0.2 ) da ja aber nur die x1- und x2-Koordinaten gleich sein müssen ergibt sich folgendes LGS:

17-4s= 1-4t-14+1s= -4-5t

-4s +4t = -16 (I) s +5t = 10 (II)
-4s +4t = -16 (I) s +5t = 10 (II)

langsame Rechnung einblenden1·(I) + 4·(II)

-4s 4t = -16 (I) ( -4 +4 )s +( 4 +20 )t = ( -16 +40 ) (II)
-4s +4t = -16 (I) +24t = 24 (II)
Zeile (II): +24t = 24

t = 1

eingesetzt in Zeile (I):

-4s +4·(1 ) = -16 | -4
-4 s = -20 | : (-4)

s = 5

L={(5 |1 )}

Das heißt also, dass die Drohne F1 nach 5s und die Seilbahngondel F2 nach 1s an diesem 'x1-x2-Schnittpunkt' ist.

die Drohne F1 ist also nach 5s bei ( 17 -14 1.1 ) +5 ( -4 1 0.1 ) = ( -3 -9 1.6 ) , während die Seilbahngondel F2 nach 1s bei ( 1 -4 0.8 ) +1 ( -4 -5 0.2 ) = ( -3 -9 1 ) ist.

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

1.6 - 1 = 0.6 m

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände

Beispiel:

Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( -7 -4 2 ) +t ( -2 11 -10 ) . (alle Koordinaten in km; t in Minuten seit Beobachtungsbeginn). Ein zweites Flugzeug F2 startet zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (4|-22|28) . Nach 2min ist es im Punkt B (-4|2|8) angelangt.
Wie weit sind die beiden Flugzeuge nach 3min 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 2min den Vektor AB = ( -8 24 -20 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -8 24 -20 ) = ( -4 12 -10 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 4 -22 28 ) +t ( -4 12 -10 ) dargestellt werden, wobei der Parameter t dabei einfach als Zeit betrachtet werden kann.

Das Flugzeug F1 ist nach 3min an der Stelle P1 ( -7 -4 2 ) +3 ( -2 11 -10 ) = ( -13 29 -28 ) und das Flugzeug F2 an der Stelle P2 ( 4 -22 28 ) +3 ( -4 12 -10 ) = ( -8 14 -2 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-13|29|-28) und P2(-8|14|-2):
P1P2 = ( -8-( - 13 ) 14-29 -2-( - 28 ) ) = ( 5 -15 26 )
Die Länge dieses Vektors ist dann der Abstand zwischen P1 und P2
d=| P1P2 | = | ( 5 -15 26 ) | = 5 2 + (-15)2 + 26 2 = 926 ≈ 30.430248109406

Der Abstand ist also ca. 30.43 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 = ( 4 -22 28 ) +t ( -4 12 -10 ) enthält und parallel zur Geraden g: x = ( -7 -4 2 ) +t ( -2 11 -10 ) ist, also x = ( 4 -22 28 ) + r ( -4 12 -10 ) + s ( -2 11 -10 )
Der Normalenvektor dieser Ebene ist der Normalenvektor auf die beiden Richtungsvektoren der Geraden.

n = ( -2 11 -10 ) × ( -4 12 -10 ) = ( 11 · ( -10 ) - ( -10 ) · 12 -10 · ( -4 ) - ( -2 ) · ( -10 ) -2 · 12 - 11 · ( -4 ) ) = ( -110 +120 40 -20 -24 +44 ) = ( 10 20 20 ) = 10⋅ ( 1 2 2 )

Wenn wir den Aufpunkt von h Ah(4|-22|28) in die allgemeine Ebenengleichung x 1 +2 x 2 +2 x 3 = d einsetzen erhalten wir für diese Hilfsebene die Koordinatengleichung:

x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 16

Nun können wir den Abstand zwischen der Geraden g: x = ( -7 -4 2 ) +t ( -2 11 -10 ) und dieser (zu g parallelen) Ebene berechnen, indem wir aus der Geraden einen Punkt, am besten den Aufpunkt (-7|-4|2), 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 ( - 7 )+2 ( - 4 )+2 2-16 | 1 2 + 2 2 + 2 2
= | -27 | 9 = 27 3 = 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 ( -7 -2 t | -4 +11 t | 2 -10 t ) und G2 t ( 4 -4 t | -22 +12 t | 28 -10 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 4-4t -22+12t 28-10t ) - ( -7-2t -4+11t 2-10t ) | = | ( 11-2t -18+1t 26+0t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( -2t +11 ) 2 + ( t -18 ) 2 + ( 0 +26 ) 2
= 4 t 2 -44t +121 + t 2 -36t +324 +676
= 5 t 2 -80t +1121

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 +1121 = 801 ≈ 28.3 (in km)

Bewegungsaufgabe mit geg. Geschwindigkeit

Beispiel:

Eine Leuchtrakete befindet sich zum Zeitpunkt t=0 im Punkt A (-200|150|150) und fliegt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1980km/h in Richtung des Punktes B (100|-300|250) (alle Koordinatenangaben in Meter).
Wann kommt sie im Punkt B an?
Wann hat die Rakete die (absolute) Höhe von 1350m erreicht? In welchem Punkt befindet es sich dann?

Lösung einblenden

Zuerst rechnen wir die Geschwindigkeit von km/h in m s um: v= 1980000 m 3600 s = 550 m s .
Die Länge des Vektors AB = ( 300 -450 100 ) ist 300 2 + (-450)2 + 100 2 = 302500 = 550 (in m).
Bei einer Geschwindigkeit von 550 m s . braucht er für diese Strecke 550 550 s = 1s.
Punkt B wird als nach 1s erreicht.

In einer s wird also der Vektor ( 300 -450 100 ) zurückgelegt.
Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann so als Gerade g mit g: x = ( -200 150 150 ) +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 150 auf 1350m (also 1200m) zu steigen (bzw. fallen), muss es also 1200 100 s = 12s lang steigen (bzw. sinken) und ist dann im Punkt mit dem Ortsvektor OP = ( -200 150 150 ) +12 ( 300 -450 100 ) = ( 3400 -5250 1350 )
Also im Punkt P(3400|-5250|1350).

Zwei Objekte Aufgabe - Abstände (ohne windschief)

Beispiel:

Flugzeug Die Position eines Flugzeugs F1 zum Zeitpunkt t ist gegeben durch x = ( 7 -10 2 ) +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 (128|0|-8) . Nach 2min ist es im Punkt B (48|-4|4) 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 = ( -80 -4 12 ) zurück.
In 1min legt es also den Vektor 1 2 ( -80 -4 12 ) = ( -40 -2 6 ) zurück. Die Flugbahn/Bewegungsbahn kann als Gerade g2 mit g2: x = ( 128 0 -8 ) +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 ( 7 -10 2 ) +4 ( -40 0 5 ) = ( -153 -10 22 ) und F2 an der Stelle P2 ( 128 0 -8 ) +4 ( -40 -2 6 ) = ( -32 -8 16 ) .

Wir berechnen zuerst den Verbindungsvektor zwischen P1(-153|-10|22) und P2(-32|-8|16):
P1P2 = ( -32-( - 153 ) -8-( - 10 ) 16-22 ) = ( 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.


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 ( 7 -40 t | -10 +0 t | 2 +5 t ) und G2 t ( 128 -40 t | 0 -2 t | -8 +6 t ) minimal wird.

d(t)= | ( 128-40t 0-2t -8+6t ) - ( 7-40t -10+0t 2+5t ) | = | ( 121+0t 10-2t -10+1t ) | soll also minimal werden.

d(t)= ( 0 +121 ) 2 + ( -2t +10 ) 2 + ( t -10 ) 2
= 14641 +4 t 2 -40t +100 + t 2 -20t +100
= 5 t 2 -60t +14841

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 -60 +0

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

mit der notwendigen Bedingung f'(t)=0 erhält man t= 6 als potentielle Extremstelle.

Wegen f''(t)= 10 +0+0 >0 ist also der Tiefpunkt bei t= 6 .

der minimale Abstand ist also d( 6 )= 5 6 2 -606 +14841 = 14661 ≈ 121.1

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( 16t +3 | 30t -3 | - t 2 +1,1t ) 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 +1,1x = 0
x · ( -x +1,1 ) = 0

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

1. Fall:

x1 = 0

2. Fall:

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

Das heißt also, dass der Fußball nach 1,1 s in der x1x2-Ebene angekommen ist. Wenn wir t = 1,1 in den Punkt Xt einsetzen, erhalten wir L( 161,1 +3 | 301,1 -3 | - 1,1 2 +1,11,1 ) = L(20.6|30|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 = ( 20.6-3 30-( - 3 ) 0-0 ) = ( 17.6 33 0 ) berechnen:

d = 17.6 2 + 332 + 0 2 = 37,4