Digitale Werkzeuge in der Schule/Unterwegs in 3-D – Punkte, Vektoren, Geraden und Ebenen im Raum/Abstände von Objekten im Raum: Unterschied zwischen den Versionen

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'''b)''' Auf dem Gelände des Louvre befindet sich auch eine invertierte Glaspyramide. Die Grundfläche hat ihren Mittelpunkt in <math> \begin{pmatrix} 38 \\ 1 \\ -35 \end{pmatrix} </math> und liegt in der gleichen Ebene wie die Grundfläche der großen Glaspyramide. Die Länge der Kanten von der Spitze bis zu den Ecken der quadratischen Grundfläche beträgt jeweils <math> 10m </math> und die Länge der Diagonalen <math> 12m </math>. In welchem Punkt liegt die Spitze der invertierten Pyramide?
'''b)'''  
 
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Auf dem Gelände des Louvre befindet sich auch eine invertierte Glaspyramide. Die Grundfläche hat ihren Mittelpunkt in <math> (38 | 1 | -35) </math> und liegt in der gleichen Ebene wie die Grundfläche der großen Glaspyramide. Die Länge der Kanten von der Spitze bis zu den Ecken der quadratischen Grundfläche beträgt jeweils <math> 10m </math> und die Länge der Diagonalen <math> 12m </math>. In welchem Punkt liegt die Spitze der invertierten Pyramide?
 
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Die Höhe der Pyramide kann man mit dem Satz des Pythagoras und den Längenangaben für die Diagonale der Grundfläche und die Kanten berechnen: (Zeichnung einfügen)
Es ist <math> \sqrt(10^2-6^2)=\sqrt(64)=8 </math>, also beträgt die Höhe der invertierten Pyramide  <math> 8m </math>, was  <math> 2LE </math> im Koordinatensystem entspricht.
 
Die Spitze der Pyramide liegt in dem Punkt,
 
 
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Version vom 24. April 2021, 11:48 Uhr

Info

worum es hier geht

Bei den Aufgaben unterscheiden wir folgende Typen:

  • In Aufgaben, die orange gefärbt sind, kannst du grundlegende Kompetenzen wiederholen und vertiefen.
  • Aufgaben in blauer Farbe sind Aufgaben mittlerer Schwierigkeit.
  • Und Aufgaben mit grünem Streifen sind Knobelaufgaben.
  • Aufgaben, die mit einem ⭐ gekennzeichnet sind, sind nur für den LK gedacht.
Viel Erfolg!

Motivation?

  • ganz am Anfang, zur Motivation: 3 Situationen, zuordnen lassen, welche Punkt-Ebene, Punkt-Gerade usw. ist (mit Learning App), mit Bild

Abstand eines Punktes von einer Ebene

Das Lotfußpunktverfahren

Aufgabe 1⭐: Überblick: Abstand Punkt Ebene

Fülle die Lücken mit den richtigen Wörtern. Sie werden dir angezeigt, sobald du auf eine Lücke klickst. Wenn du fertig bist, klicke auf den Haken unten rechts.

Die Abbildung kann dir helfen.


Merke: Abstand eines Punktes P zu einer Ebene E - Lotfußpunktverfahren

Das Vorgehen aus Aufgabe 1 hier nochmal detalliert erklärt:

  1. Die Gleichung für die zu E orthogonale Gerade g (also die Lotgerade) durch P aufstellen. Dabei kann man als Stützvektor und als Richtungsvektor den Normalenvektor von E nutzen: .
  2. Den Schnittpunkt L von der Lotgeraden g und der Ebene E bestimmen. L ist der Lotfußpunkt.
  3. Den Abstand zwischen den Punkten P und L bestimmen, indem man den Betrag des Vektors berechnet.


Aufgabe 1: xyz
Arbeitsmethode

Weitere Aufgaben:

  • stumpf das Verfahren anwenden. Lösungsweg anzeigen lassen und Tipps (Aufgabe zum Wiederholen/Vertiefen/Üben)
  • Janne: man hat Ebene und bestimmten Abstand. Jetzt Punkt bestimmen, der diesen Abstand hat (wie Pyramidenaufgabe)
  • Janne: Modellierungsaufgabe (zb aus Diagnosetest oder woanders her)


Aufgabe 2: Glaspyramide


Glaspyramide des Louvre

Im Innenhof des Louvre-Museums in Paris befindet sich eine große Glaspyramide. Die quadratische Grundfläche liegt in einer Ebene, die durch die Ebenengleichung beschrieben werden kann. Die Spitze liegt im Punkt . Eine Längeneinheit im Koordinatensystem entpricht .

a) Welche Höhe hat die Pyramide in ?

Vorlage:Tipp versteckt

Die Höhe der Pyramide kann man bestimmen, indem man den Abstand zwischen der Spitze und der Ebene bestimmt.

Zuerst wird die Geradengleichung der Lotgeraden zu durch aufgestellt. Wir nehmen den Ortsvektor von als Stützvektor und den Normalenvektor von als Richtungsvektor, also: .

Wir bestimmen den Schnittpunkt von mit . Einsetzen von einem allgemeinen Punkt von in ergibt , also . Durch Einsetzen in die Geradengleichung erhalten wir den Lotfußpunkt . Dies ist gleichtzeitig der Mittelpunkt der Grundfläche der Glaspyramide.

Der Abstand zwischen S und L beträgt wegen . Die Pyramide hat also eine Höe von .
Die Pyramide hat eine Höhe von .

b)

Auf dem Gelände des Louvre befindet sich auch eine invertierte Glaspyramide. Die Grundfläche hat ihren Mittelpunkt in und liegt in der gleichen Ebene wie die Grundfläche der großen Glaspyramide. Die Länge der Kanten von der Spitze bis zu den Ecken der quadratischen Grundfläche beträgt jeweils und die Länge der Diagonalen . In welchem Punkt liegt die Spitze der invertierten Pyramide?

Vorlage:Tipp versteckt

Die Höhe der Pyramide kann man mit dem Satz des Pythagoras und den Längenangaben für die Diagonale der Grundfläche und die Kanten berechnen: (Zeichnung einfügen) Es ist , also beträgt die Höhe der invertierten Pyramide , was im Koordinatensystem entspricht.

Die Spitze der Pyramide liegt in dem Punkt,

Die Hesse´sche Normalenform

Um den Abstand zwischen einem Punkt und einer Ebene zu bestimmen, gibt es neben dem Lotverfahren auch die Möglichkeit, dies mit der Hesse´schen Normalenform zu berechnen. In diesem Kapitel lernst du, wie du die Normalenform aufstellst und sie zur Abstandsberechnung anwendest.


Merke: Die Hesse´sche Normalenform

Den Abstand von einem Punkt E zu einer Ebene E kann mit einer Formel berechnet werden, der sogenannten Hesse´schen Normalenform (kurz:HNF).

So bestimmst du mit der HNF den Abstand:

Gegeben ist eine Ebene E durch die Koordinatengleichung bzw. durch die Normalenform mit und ein Punkt .

Stelle nun die HNF der Ebene auf:

Lies dazu aus der Koordinatengleichung der Ebene den Normalenvektor ab.

Bestimme dann die Länge des Normalenvektors :

Die HNF lautet nun: .

Als letztes setzte die Koordinaten des Punktes in die HNF ein und berechne den Abstand:


Aufgabe 1:

Über dem Schuldach schwebt eine Drohne an der Stelle und ein Vogel schwebt auf der Stelle . Finde heraus, wer den geringeren Abstand zum Schuldach hat. Das Schuldach lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben: .

Der Normalenvektor der Ebene ist:

Länge des Normalenvektors bestimmen:

Die HNF lautet nun: .

Nun werden die Koordinaten von A eingesetzt:

Die Koordinaten von B können in die selbe HNF eingesetzt werden: .

Damit hat die Drohne einen Abstand von zum Schuldach und der Vogel einen Abstand von . Die Drohne ist also näher zum Dach als der Vogel.
Der Abstand der Drohne zum Dach beträgt und der Abstand des Vogels zum Dach beträgt . Damit ist der Abstand der Drohne geriner.


Aufgabe 2: Abstand paralleler Ebenen

Gegeben ist die Ebene . Bestimme zur Ebene E zwei parallele Ebenen, die von E den Abstand 5 haben.

Überlege dir, welchen Normalenvektor die Ebenen haben müssen, damit sie parallel zu E sind

Die gesuchten Ebenen haben den gleichen Normalenvektor wie E. Ansatz: sei ein Punkt der Ebene G

Es gilt: Abst(P;E)=.

Abst(P;E)=5 nach Aufgabenstellung. Daher gilt: Stelle nun beide Gleichungen nach h um. Es folgt: und .

Dies wird nun in die Ebenengleichung von G eingesetzt:

und haben nun beide den Abstand 5 zur Ebene E.

und

haben beide den Abstand 5 zu E


Falls du noch nicht genug hast, kannst du auch versuchen, die Aufgaben vom Lotfußpunktverfahren mit der Hesse´schen Normalenform zu lösen

Abstand eines Punktes von einer Geraden

  • Verfahren wiederholen (evtl.)
  • Merksatz
  • Aufgaben 2-3 (Idee: auch mal was begründen/ vermuten/ argumentieren lassen)

Wenn es geht, GeoGebra einbauen!!!

Abstand zweier windschiefer Geraden

  • Janne: Verfahen in richtige Reihenfolge bringen
  • Janne: Merksatz
  • Aufgaben 2 (Idee: auch mal was begründen/vermuten/ argumentieren lassen)

Wenn es geht, GeoGebra einbauen!!!

Gemischte Aufgaben

  • auf Anfangsaufgabe zurückkommen
  • 3 Aufgaben

Wenn es geht, GeoGebra einbauen!!!