Sachprobleme modellieren

Modelling real-world problems

Mathematik Klasse 13 17 Aufgaben
GeometrieAnalytische GeometrieModellierenEbenenKugelnAbstandWinkel

Ein Sachproblem der Geometrie wird in vier Schritten gelöst: ein Koordinatensystem so legen, dass die Punkte einfache Koordinaten haben, GegenstĂ€nde und Fragen in Punkte, Geraden, Ebenen, Kugeln, Winkel und AbstĂ€nde ĂŒbersetzen, das Ergebnis prĂŒfen (GrĂ¶ĂŸenordnung, Einheit, Skizze) und Wege vergleichen. Der Abschnitt fĂŒhrt das am Zeltdach vor: Neigung der Wand, Abstand der Zeltmitte von der Wand und die grĂ¶ĂŸte Kugel im Zelt, mit einem zweiten Weg ĂŒber Dreieck und Trigonometrie. RĂ€umt aus, das Koordinatensystem quer zu den Kanten zu legen, Einheiten und Antwortsatz zu vergessen oder den Komplementwinkel fĂŒr die Neigung zu halten. Bereitet die Aufgaben der AbiturprĂŒfung zur Analytischen Geometrie vor.

Das Koordinatensystem wÀhlen

Ein Zelt hat einen quadratischen Boden von 6 m × 6 m und die Spitze 4 m ĂŒber der Mitte. Wo legt man das Koordinatensystem hin? Sinnvoll ist der Ursprung in der Ecke A, die Achsen entlang der Kanten, 1 LĂ€ngeneinheit = 1 m: A(0 | 0 | 0), B(6 | 0 | 0), C(6 | 6 | 0), D(0 | 6 | 0) und S(3 | 3 | 4). Das ist das Modell: Es ersetzt das Zelt durch Punkte und Ebenen, gerechnet wird in ihm.

SchrÀgbild: Pyramide (edge 6 m, height 4 m) 6 m 4 m A B C D S
Das Zelt als Pyramide ABCDS.

Übersetzen und rechnen

Wie steil ist die Zeltwand ABS? Sie ist eine Ebene durch A, B, S: n = AB × AS = (0; −24; 18) ∄ (0; 4; −3), also 4x₂ − 3x₃ = 0. Ihre Neigung ist der Winkel zum Boden (Normalenvektor (0; 0; 1)): cos φ = 3/5, φ ≈ 53,1°. Und die grĂ¶ĂŸte Kugel im Zelt? Ihr Mittelpunkt liegt auf der senkrechten Mittelachse bei (3 | 3 | z). Sie berĂŒhrt den Boden, also ist r = z, und die Wand: der Abstand des Mittelpunkts von 4x₂ − 3x₃ = 0, also (12 − 3z)/5, ist gleich z. Das gibt z = 1,5, also r = 1,5 m.

Der Schnitt bei x₁ = 3 zeigt K und L, die Mitten von AB und CD. VerĂ€ndere die Höhe z des Mittelpunkts: Bei welchem z berĂŒhrt die Kugel zugleich Boden und Wand?

PrĂŒfen und vergleichen

Ein Ergebnis gehört geprĂŒft: 53,1° ist fĂŒr ein Zeltdach plausibel, 5° oder 89° wĂ€ren es nicht, und ein Ball mit r = 1,5 m passt unter die 4 m hohe Spitze. Oft fĂŒhren mehrere Wege zum Ziel. Die Neigung liest man auch im rechtwinkligen Dreieck aus Höhe 4 und halber Breite 3 ab: tan φ = 4/3, φ ≈ 53,1°, ganz ohne Vektoren. Beide Wege mĂŒssen ĂŒbereinstimmen; das ist die beste Kontrolle. Am Ende steht ein Antwortsatz mit Einheit: „Die Zeltwand ist um etwa 53° geneigt.“

Leicht
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Ein Zelt hat den quadratischen Boden ABCD (SeitenlĂ€nge 6 m) und die Spitze S, 4 m ĂŒber der Mitte. GewĂ€hlt ist A(0 | 0 | 0), B(6 | 0 | 0), D(0 | 6 | 0), x₃ zeigt nach oben, 1 LĂ€ngeneinheit = 1 m. Welche Koordinaten hat S?

  • ● S(3 | 3 | 4)
  • ○ S(3 | 4 | 3)
  • ○ S(6 | 6 | 4)
Die Spitze liegt ĂŒber der Mitte des Bodens, also bei x₁ = x₂ = 3, und 4 m hoch: x₃ = 4. S(3 | 4 | 3) verwechselt die Achsen (Höhe steht in x₃), S(6 | 6 | 4) stĂŒnde ĂŒber der Ecke C.
Wahr / Falsch #2 15s ▶ Testen

Legt man den Ursprung in die Ecke A des Zeltbodens und die Achsen x₁, x₂ entlang der Bodenkanten AB und AD, so haben alle vier Bodenecken die Koordinate x₃ = 0.

✓ Wahr
Der Boden liegt in der x₁x₂-Ebene, also ist x₃ = 0 fĂŒr A, B, C und D. Solche Achsenlagen machen die Koordinaten einfach und Rechenfehler unwahrscheinlicher.
Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Eine Drohne D soll von der Zeltwand ABS (Ebene E) mindestens 2 m Abstand halten. Welche Bedingung modelliert das?

  • ● d(D, E) ≄ 2
  • ○ d(D, E) = 2
  • ○ d(D, A) ≄ 2
„Mindestens“ heißt grĂ¶ĂŸer oder gleich, und gemeint ist der Abstand zur Wand, also zur Ebene E. „= 2“ wĂŒrde nur eine FlĂ€che im Abstand 2 beschreiben, d(D, A) den Abstand zur Ecke A.
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

Die Zeltwand BCS mit B(6 | 0 | 0), C(6 | 6 | 0) und S(3 | 3 | 4) liegt in der Ebene 4x₁ + 3x₃ = 12.

✓ Falsch
Einsetzen von B: 4·6 + 0 = 24 ≠ 12. Die richtige Ebene ist 4x₁ + 3x₃ = 24, denn B, C und S erfĂŒllen sie (12 + 12 = 24 fĂŒr S).
Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Eine Zeltwand steigt auf 3 m Breite 4 m hoch an. FĂŒr die Neigung gegen den Boden hat jemand drei Ergebnisse gerechnet. Welches ist plausibel?

  • ● 53,1°
  • ○ 36,9°
  • ○ 5,3°
Steigt die Wand auf 3 m Breite 4 m, ist sie steiler als 45°; 53,1° (tan φ = 4/3) passt. 36,9° wĂ€re flacher als 45°, das ist der Winkel zur Lotrechten. 5,3° entsteht, wenn man bei einem Rechenfehler eine GrĂ¶ĂŸenordnung verliert.
Multiple Choice #6 20s ▶ Testen

FĂŒr den Abstand der Zeltmitte M(3 | 3 | 0) von der Wand ABS ergibt die Rechnung 12/5 (1 LĂ€ngeneinheit = 1 m). Welcher Antwortsatz ist richtig?

  • ● Die Zeltmitte ist 2,4 m von der Wand ABS entfernt.
  • ○ Die Zeltmitte ist 2,4 von der Wand ABS entfernt.
  • ○ Die Zeltmitte ist 12,5 m von der Wand ABS entfernt.
12/5 = 2,4, und ein Sachergebnis braucht die Einheit: 2,4 m. Ohne Einheit fehlt die Antwort auf die Sachfrage, 12,5 ist ein Umformungsfehler (12/5 ist nicht 12,5).
Multiple Choice #7 20s ▶ Testen

Eine Zeltwand steigt auf einer Breite von 3 m um 4 m an. Welche Rechnung liefert ihre Neigung φ gegen den Boden auch ohne Vektoren?

  • ● tan φ = 4/3
  • ○ tan φ = 3/4
  • ○ sin φ = 4/3
Im rechtwinkligen Dreieck ist die Höhe 4 die Gegenkathete und die halbe Breite 3 die Ankathete von φ: tan φ = 4/3 und φ ≈ 53,1°. „3/4“ vertauscht die Katheten (36,9°), sin φ = 4/3 wĂ€re grĂ¶ĂŸer als 1.
Wahr / Falsch #8 15s ▶ Testen

Der Schnitt durch das Zelt bei x₁ = 3 zeigt ein rechtwinkliges Dreieck mit den Katheten 3 m und 4 m (Hypotenuse 5 m). Seine Höhe auf der Hypotenuse, 3·4/5 = 2,4 m, ist der Abstand der Zeltmitte M(3 | 3 | 0) von der Wand ABS.

✓ Wahr
Der Schnitt durch das Zelt bei x₁ = 3 zeigt dieses Dreieck; der Abstand von M zur Wand ist die Höhe auf der Hypotenuse (FlĂ€chenformel: œ·3·4 = œ·5·h gibt h = 2,4). Das stimmt mit dem Hesse-Abstand |12|/5 = 2,4 ĂŒberein.
Mittel
Zahleneingabe #1 25s ▶ Testen

Ein Turm hat einen quadratischen Grundriss (SeitenlĂ€nge 4 m) und ein Pyramidendach, dessen Spitze 9 m ĂŒber der Mitte liegt. Mit A(0 | 0 | 0), B(4 | 0 | 0), D(0 | 4 | 0) und x₃ nach oben: Welche x₁-Koordinate hat die Spitze?

✓ Antwort: 2
Die Spitze liegt ĂŒber der Mitte des Grundrisses: x₁ = 4/2 = 2 (und x₂ = 2, x₃ = 9).
Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Die Zeltwand BCS hat den Normalenvektor n = (4; 0; 3) und enthĂ€lt B(6 | 0 | 0). Bestimme d in 4x₁ + 3x₃ = d.

✓ Antwort: 24
d = n·B = 4·6 + 0 + 0 = 24. Probe mit S(3 | 3 | 4): 12 + 12 = 24.
Zahleneingabe #3 30s ▶ Testen

Der Punkt (3 | 3 | z) hat von der Zeltwand ABS (4x₂ − 3x₃ = 0) den Abstand (12 − 3z)/5. Berechne diesen Abstand fĂŒr z = 1,5.

✓ Antwort: 1.5
(12 − 4,5)/5 = 7,5/5 = 1,5. Der Abstand ist gleich z: Die Kugel um (3 | 3 | 1,5) mit r = 1,5 berĂŒhrt Boden und Wand.
Zahleneingabe #4 35s ▶ Testen

Ein rechtwinkliges Dreieck hat die Katheten 5 m und 12 m (Hypotenuse 13 m). Wie lang ist die Höhe auf die Hypotenuse (auf 0,01 m genau)?

✓ Antwort: 4.62
Aus der FlĂ€chenformel œ·5·12 = œ·13·h folgt h = 60/13 ≈ 4,62 m.
Schwer
Zahleneingabe #1 30s ▶ Testen

Ein Zelt hat die Ecke A(0 | 0 | 0) und die Spitze S(3 | 3 | 4) (1 LĂ€ngeneinheit = 1 m). Wie lang ist die Kante AS (auf 0,1 m genau)?

✓ Antwort: 5.8
|AS| = |(3; 3; 4)| = √(9 + 9 + 16) = √34 ≈ 5,8 m.
Zahleneingabe #2 35s ▶ Testen

An der Zeltwand BCS (4x₁ + 3x₃ = 24) wird ein Haken in dem Punkt mit x₁ = 4,5 und x₂ = 3 befestigt. In welcher Höhe x₃ (in m) liegt er?

✓ Antwort: 2
4·4,5 + 3x₃ = 24 gibt 18 + 3x₃ = 24, also x₃ = 2. Der Haken sitzt 2 m hoch.
Zahleneingabe #3 40s ▶ Testen

Ein Kabel hĂ€ngt im Zelt im Punkt P(3 | 3 | 1) (1 LĂ€ngeneinheit = 1 m). Welchen Abstand hat P von der Wand ABS: 4x₂ − 3x₃ = 0 (auf 0,1 m genau)?

✓ Antwort: 1.8
|4·3 − 3·1|/5 = 9/5 = 1,8 m. Plausibel, denn P liegt höher und damit nĂ€her an der Wand als die Zeltmitte M(3 | 3 | 0) mit 2,4 m.
Zahleneingabe #4 50s ▶ Testen

Ein Zelt hat den Boden 12 m × 12 m und die Spitze 8 m ĂŒber der Mitte, also dieselbe Form wie oben, doppelt so groß. Wie groß ist der Radius der grĂ¶ĂŸten Kugel, die ins Zelt passt (in m)?

✓ Antwort: 3
Ähnlichkeit mit dem Faktor 2: Der Radius verdoppelt sich von 1,5 m auf 3 m. Nachgerechnet mit Hesse: Mittelpunkt (6 | 6 | z), Wand 4x₂ − 3x₃ = 0: (24 − 3z)/5 = z gibt z = 3.
KI-bewertete Rechnung #5 240s ▶ Testen

Ein Zelt hat den quadratischen Boden ABCD mit A(0 | 0 | 0), B(6 | 0 | 0), C(6 | 6 | 0), D(0 | 6 | 0) und die Spitze S(3 | 3 | 4) (1 LÀngeneinheit = 1 m). Bestimme die Ebenengleichung der Wand BCS, ihre Neigung gegen den Boden und den Abstand der Zeltmitte M(3 | 3 | 0) von dieser Wand. Dokumentiere Skizze, Ansatz, Rechnung und AntwortsÀtze mit Einheiten, und kontrolliere die Neigung auf einem zweiten Weg. Schreibe deine Rechnung auf Papier und fotografiere sie.

✓ Antwort: Wand BCS: BC = (0; 6; 0), BS = (−3; 3; 4), n = BC × BS = (24; 0; 18) ∄ (4; 0; 3). Ebene: 4x₁ + 3x₃ = 4·6 = 24 (Probe mit S: 12 + 12). Neigung: cos φ = |n·(0; 0; 1)|/|n| = 3/5, φ ≈ 53,1°. Abstand von M: |4·3 − 24|/5 = 12/5 = 2,4 m. Kontrolle im Dreieck: tan φ = 4/3, φ ≈ 53,1°; Höhe auf der Hypotenuse 3·4/5 = 2,4 m. Antwort: Die Wand ist um etwa 53° geneigt, die Zeltmitte ist 2,4 m von ihr entfernt.
Skizze und Koordinaten; Ebene aus n = BC × BS; Neigung und Abstand; zweiter Weg; AntwortsĂ€tze mit Einheit.