Digitale Werkzeuge in der Schule/Unterwegs in 3-D – Punkte, Vektoren, Geraden und Ebenen im Raum/Lagebeziehungen und Winkel (Gerade und Ebene, 2 Ebenen)

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Info

In diesem Lernpfadkapitel geht es um die Lagebeziehung zwischen einer Gerade und einer Ebene oder zwischen zwei Ebenen inklusive der Berechnung der Schnittwinkel. Das Lernpfadkapitel ist so aufgebaut, dass ihr in jedem Abschnitt zuerst grundlegende Inhalte mithilfe der Merkkästen wiederholen und anschließend euer Wissen in Übungsaufgaben anwenden könnt.


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 und Kapitel, die mit einem ⭐ gekennzeichnet sind, sind nur für den LK gedacht.
Viel Erfolg!


Lagebeziehung Gerade-Ebene

Mögliche Lagebeziehungen zwischen Gerade und Ebene

Merke:

Zwischen einer Geraden und einer Ebene gibt es drei mögliche Lagebeziehungen.

Lagebeziehung Gerade Ebene schneidend.jpg

Die Gerade schneidet die Ebene.

Lagebeziehung Gerade Ebene parallel.jpg

Die Gerade und die Ebene liegen parallel.

Lagebeziehung Gerade Ebene liegtin.jpg

Die Gerade liegt in der Ebene.


Untersuchung der Lagebeziehung zwischen Gerade und Ebene

Ebene in Parameterform

Aufgabe 1: Lückentext zur Lagebeziehung zwischen Gerade und Ebene



Vorgehen: Untersuchung der Lagebeziehung zwischen Gerade und Ebene
Vorgehen Lagebeziehung Gerade und Ebene.jpg


Beispiel: Untersuchung der Lagebeziehung zwischen Gerade und Ebene


Gegeben sind eine Ebene und eine Gerade . Untersuche die Lagebeziehung der Gerade und der Ebene und bestimme gegebenenfalls den Schnittpunkt.


1. Schritt: Setze die Geraden- und Ebenengleichung gleich:


2. Schritt: Stelle das zugehörige lineare Gleichungssystem auf:


3. Schritt: Löse das Gleichungssystem mit dem Gaußverfahren oder dem Taschenrechner:


4. Schritt: Interpretiere die Lösung des Gleichungssystems anhand der Anzahl der Lösungen. Da das Gleichungssystem nur eine Lösung hat, besitzen die Ebene und die Gerade nur einen gemeinsamen Punkt. Also schneidet die Gerade die Ebene.


5. Schritt: Da sich die Ebene und die Gerade schneiden, kannst du den Schnittpunkt der beiden berechnen. Setze dafür den Parameter in die Geradengleichung ein:

Alternativ kannst du die Parameter und in die Ebenengleichung einsetzen und erhältst den gleichen Punkt.


Aufgabe 2: Untersuchung der Lagebeziehung zwischen Gerade und Ebene

Gegeben ist eine Ebene . Untersuche die Lagebeziehung zwischen dieser Ebene und den untenstehenden Geraden. Ziehe die Geraden in das entsprechende Feld.



1. Setze die Geradengleichung mit der Ebenengleichung gleich.

2. Stelle ein LGS auf.

3. Löse das LGS mit dem Gaußverfahren oder dem Taschenrechner.

4. Die Anzahl der Lösungen zeigt dir, wie viele gemeinsamen Punkte die Gerade und die Ebene haben. Daran kannst du die Lagebeziehung erkennen.


Aufgabe 3: Schnittpunktberechnung

Gegeben sind eine Gerade und eine Ebene .

Zeige, dass sich die Gerade und die Ebene schneiden und gib den Schnittpunkt an.

1. Setze die Geradengleichung mit der Ebenengleichung gleich.

2. Stelle ein LGS auf.

3. Löse das LGS mit dem Gaußverfahren oder dem Taschenrechner.

4. Die Anzahl der Lösungen zeigt dir, wie viele gemeinsamen Punkte die Gerade und die Ebene haben. Daran kannst du die Lagebeziehung erkennen.

5. Berechne den Schnittpunkt, indem du den Wert für in die Geradengleichung einsetzt.

1. Setze die Geradengleichung mit der Ebenengleichung gleich:

2. Stelle ein LGS auf:


3. Löse das LGS mit dem Gaußverfahren oder dem Taschenrechner:


4. Die Anzahl der Lösungen zeigt dir, wie viele gemeinsame Punkte die Gerade und die Ebene haben. Da das LGS genau eine Lösung besitzt, haben die Gerade und die Ebene einen gemeinsamen Punkt. Somit schneiden sie sich.

5. Berechne den Schnittpunkt, indem du den Wert für in die Geradengleichung einsetzt:


Aufgabe 4: Schatten eines Sonnensegels

Da es Frau Meier im Sommer auf ihrer Terrasse gerne schattig haben möchte, spannt sie ein dreieckiges Segeltuch auf. Die Eckpunkte des Segeltuchs sind und . Die Terrasse wird modelliert durch die Ebene . Die Richtung der Sonnenstrahlen entspricht dem Vektor . In welchem Bereich hat Frau Meier nun Schatten?


Hinweis: Da Frau Meier eine sehr große Terrasse hat, kannst du davon ausgehen, dass der Schatten vollständig innerhalb der Terrasse liegt.


Bestimme die Geraden der Lichtstrahlen durch die Eckpunkte des Sonnensegels und berechne, wo sie auf die Terrasse treffen. Vielleicht hilft dir eine Skizze.

Hier siehst du eine Skizze, die die oben beschriebene Situation abbildet. Überlege dir, welche Punkte du für die Aufgabe bestimmen musst.

Aufgabe Sonnensegel Spurpunkte.png
Nachdem ihr die Geraden- und Ebenengleichung gleichgesetzt habt, reicht es, wenn ihr euch die Gleichung für die -Koordinate anschaut.

1. Schritt: Mache eine Skizze von der Situation. Aufgabe Sonnensegel Spurpunkte.png

2. Schritt: Stelle die Geradengleichungen durch die Eckpunkte des Sonnensegels in Richtung der Sonnenstrahlen auf: , ,

3. Schritt: Berechne die Schnittpunkte der Geraden mit der Ebene.

Berechnung von :

Setze die Geraden- und Ebenengleichung gleich:

Notiere die Zeilen der Gleichung als Gleichungssystem:

Berechne den Parameter , indem du die 3. Gleichung nach umformst:

Durch Einsetzen von in die Geradengleichung erhältst den Punkt .

Berechnung von :

Setze die Geraden- und Ebenengleichung gleich:

Notiere die Zeilen der Gleichung als Gleichungssystem:

Löse die 3. Gleichung nach auf:

Durch Einsetzen von in die Geradengleichung erhältst den Punkt .

Berechnung von :

Notiere die Zeilen der Gleichung als Gleichungssystem:

Löse die 3. Gleichung nach auf:

Durch Einsetzen von in die Geradengleichung erhältst den Punkt .

Die Schattenfläche wird also durch das Dreieck mit den Eckpunkten und begrenzt.

⭐Ebene in Koordinatenform

⭐Merke: Die Lagebeziehung einer Gerade und einer Ebene mit dem Normalenvektor untersuchen

Bei der Bestimmung der Lagebeziehung zwischen einer Gerade und einer Ebene kann dir der Normalenvektor der Ebene helfen. Wenn du nicht mehr genau weißt, wie man diesen abliest oder berechnet, schau noch einmal in das Kapitel Ebenen im Raum (Ebenen im Raum).

Lagebeziehung Gerade Ebene parallel Normalenvektor.jpg

Wenn der Richtungsvektor der Gerade und der Normalenvektor der Ebene orthogonal zueinander sind und Gerade und Ebene keinen gemeinsamen Punkt besitzen, so sind sie parallel zueinander.

Lagebeziehung Gerade Ebene liegtin Normalenvektor.jpg

Wenn der Richtungsvektor der Gerade und der Normalenvektor der Ebene orthogonal zueinander sind und Gerade und Ebene unendlich viele gemeinsame Punkte besitzen, so liegt die Gerade in der Ebene.

Lagebeziehung Gerade Ebene schneidend Normalenvektor.jpg

Wenn der Richtungsvektor der Gerade und der Normalenvektor der Ebene nicht orthogonal zueinander sind, dann schneiden sich die Gerade und die Ebene und es kann ein Schnittpunkt bestimmt werden.


⭐Vorgehen: Untersuchung der Lagebeziehung zwischen Gerade und Ebene mit dem Normalenvektor

Gegeben sind eine Gerade und eine Ebene mit dem Normalenvektor .

Vorgehen Lagebeziehung Gerade und Ebene3.jpg.jpg


⭐ Aufgabe 5: Untersuchung der Lagebeziehung einer Gerade und einer Ebene in Koordinatenform


a) Gegeben sind eine Ebene und eine Gerade . Bestimme die Lagebeziehung von Gerade und Ebene.


1. Schritt: Prüfe, ob der Richtungsvektor der Gerade orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegt.

Verwende des Skalarprodukt.
Wenn das Skalarprodukt zweier Vektoren ergibt, dann sind die beiden Vektoren orthogonal zueinander. Wenn das Skalarprodukt ungleich ist, dann sind sie nicht orthogonal.
. Da das Skalarprodukt ergibt, gilt .


2. Schritt: Prüfe durch eine Punktprobe, ob der Aufpunkt der Gerade in der Ebene liegt.


Der Aufpunkt liegt nicht in der Ebene. Daher verlaufen die Gerade und die Ebene parallel zueinander.


b) Gegeben sind eine Ebene und eine Gerade . Bestimme die Lagebeziehung von Gerade und Ebene.

1. Schritt: Prüfe, ob der Richtungsvektor der Gerade orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegt.

Verwende des Skalarprodukt.
Wenn das Skalarprodukt zweier Vektoren ergibt, dann sind die beiden Vektoren orthogonal zueinander. Wenn das Skalarprodukt ungleich ist, dann sind sie nicht orthogonal.
. Da das Skalarprodukt ergibt, gilt .


2. Schritt: Prüfe durch eine Punktprobe, ob der Aufpunkt der Gerade in der Ebene liegt.


Der Aufpunkt liegt in der Ebene. Daher liegt die Gerade in der Ebene .

c) Gegeben sind eine Ebene und eine Gerade . Bestimme die Lagebeziehung von Gerade und Ebene.

1. Schritt: Prüfe, ob der Richtungsvektor der Gerade orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegt.

Verwende des Skalarprodukt.
Wenn das Skalarprodukt zweier Vektoren ergibt, dann sind die beiden Vektoren orthogonal zueinander. Wenn das Skalarprodukt ungleich ist, dann sind sie nicht orthogonal.
. Da das Skalarprodukt ergibt, sind und nicht orthogonal zueinander. Somit schneiden sich die Gerade und die Ebene.


2. Schritt: Berechne des Schnittpunktes.

Setze die Koordinaten der Gerade in die Ebenengleichung von ein und forme nach dem Parameter um.

Die einzelnen Koordinaten der Gerade sind: .

Setze diese Koordinaten in die Ebenengleichung von ein:

Forme nach dem Parameter um:

Setze den Parameter in die Geradengleichung ein, um den Schnittpunkt zu berechnen:

.

Die Gerade und die Ebene schneiden sich im Schnittpunkt .



⭐ Aufgabe 6: Bestimme den Parameter

Gegeben ist eine Ebene . Bestimme und in den folgenden Geraden so, dass die jeweils angegebene Lagebeziehung erfüllt ist.

a) Die Gerade soll parallel zur Ebene verlaufen.

Damit die Gerade und die Ebene parallel zueinander sind, müssen der Richtungsvektor von und der Normalenvektor von orthogonal zueinander sein.

.

Damit die beiden Vektoren orthogonal zueinander sind, muss das Skalarprodukt sein: .

b) Die Gerade soll in der Ebene liegen.

Damit die Gerade in der Ebene liegt, müssen der Richtungsvektor von und der Normalenvektor von orthogonal zueinander sein.
Wenn die Gerade in der Ebene liegt, liegt jeder Punkt auf der Gerade auch in der Ebene .
Prüfe mit der Punktprobe, ob der Aufpunkt von in der Ebene liegt.

Finde zuerst m: . Damit die beiden Vektoren orthogonal zueinander sind, muss das Skalarprodukt sein: .

Finde danach durch eine Punktprobe: Setze den Aufpunkt in die Ebenengleichung ein und löse nach auf: .

c) Die Gerade soll die Ebene schneiden.

Der Richtungsvektor der Geraden darf nicht orthogonal zum Normalenvektor von liegen.
Was bedeutet es für , wenn der Richtungsvektor der Geraden nicht orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegen darf?
Bestimme, welchen Wert nicht annehmen darf, damit die Gerade die Ebene schneidet.
Für ist der Richtungsvektor von orthogonal zum Normalenvektor von und die Gerade liegt parallel zur Ebene . Jeder andere Wert für ist eine richtige Lösung.


⭐ Aufgabe 7: Flugzeug

Ein Flugzeug fliegt auf eine Nebelwand zu. Seine Flugbahn wird durch die Gerade beschrieben, wobei die Zeit in Minuten nach dem Start bezeichnet. Das Flugzeug befindet sich also im Moment am Punkt . Du kannst davon ausgehen, dass es mit konstanter Geschwindigkeit fliegt. Die Ebene beschreibt die Nebelwand.

Versuche die folgenden Aufgaben ohne Taschenrechner zu lösen.

a) Begründe, dass das Flugzeug die Nebelwand trifft.

Verwende das Skalarprodukt.
. Da das Skalarprodukt ergibt, sind der Normalenvektor der Ebene und der Richtungsvektor der Gerade nicht orthogonal zueinander. Daraus können wir schließen, dass sich Gerade und Ebene schneiden. Das Flugzeug trifft also auf die Nebelwand.

b) Wo trifft das Flugzeug auf die Nebelwand und wie viele Minuten dauert es noch, bis das Flugzeug die Nebelwand erreicht?

Berechne den Schnittpunkt der Gerade mit der Ebene, indem du die einzelnen Koordinaten der Gerade in die Ebenengleichung einsetzt.

Setze die einzelnen Koordinaten der Gerade in die Ebenengleichung ein und löse nach dem Parameter auf:

Da die Zeit in Minuten angibt, erreicht das Flugzeug den Schnittpunkt in 5 Minuten.

Berechne nun den Schnittpunkt , indem du in die Geradengleichung einsetzt. Du erhältst den Ortsvektor zum Schnittpunkt und kannst den Schnittpunkt dann ablesen: . Damit ergibt sich der Schnittpunkt .

Das Flugzeug trifft die Nebelwand in 5 Minuten im Punkt .


⭐Berechnung des Winkels zwischen Gerade und Ebene

⭐ Merke: Berechnung des Winkels zwischen Gerade und Ebene


Wenn eine Gerade eine Ebene schneidet, kannst du nicht nur den Schnittpunkt berechnen, sondern auch den Schnittwinkel. Dafür benötigen wir den Normalenvektor. Wenn du nicht mehr genau weißt, wie man diesen abliest oder berechnet, schau noch einmal in das Kapitel Ebenen im Raum (Ebenen im Raum).


⭐ Merksatz: Winkel berechnen zwischen Gerade und Ebene


Winkel zwischen Gerade und Ebene

Sei eine Ebene mit dem Normalenvektor und eine Gerade mit dem Richtungsvektor . Der Schnittwinkel zwischen und kann mit folgender Formel berechnet werden: .

Ist nach dem Schnittwinkel gefragt, so ist immer der kleinere der beiden Winkel gesucht, die von Gerade und Ebene eingeschlossen werden. Mit der obigen Formel erhält man deshalb für immer Werte zwischen und .

Wenn du wissen möchtest, warum du nicht - wie beim Winkel zwischen zwei Geraden - den Kosinus benutzt, kannst du das hier nachlesen:

Winkel zwischen Gerade und Ebene

Der Normalenvektor einer Ebene steht in einem Winkel zur Ebene .

Wenn man den Winkel zwischen einer Gerade und einer Ebene berechnen will, kann wie beim Winkel zwischen zwei Geraden mit der Kosinusfunktion der Winkel zwischen dem Richtungsvektor von und dem Normalenvektor von berechnet werden. In der Abbildung ist dieser Winkel mit bezeichnet. Um nun den Winkel zwischen und zu erhalten, müssen wir von abziehen. Dies entspricht aufgrund trigonometrischer Gesetzmäßigkeiten der obigen Formel mit der Sinusfunktion.


⭐ Aufgabe 8: Berechnung des Winkels zwischen Gerade und Ebene


Gegeben sind die Gerade und die Ebene . Bestimme den Winkel, unter dem sich die Gerade und die Ebene schneiden.

Nutze zur Berechnung des Winkels die Formel aus dem Merksatz. Notiere dafür den Richtungsvektor der Gerade und den Normalenvektor der Ebene.

Wenn du beide in die Formel eingesetzt hast, benötigst du den , um den Winkel ausrechnen zu können.

1. Schritt: Notiere den Richtungvektor der Gerade und den Normalenvektor der Ebene.

und

2. Schritt: Setze die Vektoren in die Formel ein.

3. Schritt: Forme die Gleichung um.

Der Schnittwinkel beträgt also .


⭐ Aufgabe 9: Trinkpäckchen


Trinkpäckchen

Eine Schulklasse nimmt auf ihrem Wandertag Trinkpäckchen mit. Jedes Trinkpäckchen hat die Form eines Quaders (siehe Abbildung). Die Seite, auf der sich das Loch für den Strohhalm befindet, kann durch die Ebene beschrieben werden. Einige Kinder ärgern sich, dass sie mit dem Strohhalm nicht gut in die Ecken kommen. Sie wollen den Winkel berechnen, unter dem sie den Strohhalm in das Trinkpäckchen stecken müssen, um an den Saft in der gegenüberliegenden Ecke zu kommen.

Wenn der Strohhalm so in das Trinkpäckchen gesteckt wird, das er in der gegenüber liegenden Ecke anstößt, kann er durch die Gerade veranschaulicht werden: .

Kannst du den Kindern helfen, den Winkel zu berechnen, unter dem der Strohhalm in das Trinkpäckchen gesteckt werden muss, um die gegenüberliegende Ecke zu erreichen?

Überlege, wie dir der obige Merksatz helfen kann.

Gesucht wird der Winkel zwischen der Gerade und der Ebene . Der Richtungsvektor der Gerade ist . Der Normalenvektor der Ebene kann abgelesen werden: .

Einsetzen der Vektoren in die Formel liefert:

Mithilfe des Taschenrechners kann das Ergebnis berechnet werden:

Die Kinder sollten den Strohhalm also in einem Winkel von ca. in das Trinkpäckchen stecken, um an den Saft in der gegenüberliegenden Ecke zu kommen.


⭐ Aufgabe 10: Gerade gesucht


Bisher wurde mit der Formel zur Winkelberechnung nur der Winkel berechnet. Die Formel kann jedoch auch genutzt werden, um bei einem vorgegebenen Winkel die Lage der Gerade oder Ebene zu bestimmen.

Eine Gerade soll die -Ebene in einem Winkel von schneiden. Über die Gerade ist nur bekannt, dass sie durch den Punkt und in Richtung des Vektors verläuft. Stelle die Gleichung der Gerade auf, indem du den Parameter bestimmst.

Notiere dir alle Informationen aus dem Text. Was weißt du über die Berechnung des Winkels zwischen einer Gerade und einer Ebene?
Der Normalenvektor der -Ebene verläuft nur in -Richtung.
Um Gleichungen mit einer Unbekannten zu lösen, kannst du die nSolve-Funktion deines Taschenrechners nutzen.

Bestimme zuerst den Normalenvektor der Ebene. Da es sich um die -Ebene handelt, lautet der Normalenvektor .

Nun können der Normalenvektor der Ebene, der Richtungsvektor der Gerade und der vorgegebene Winkel in die Formel eingesetzt werden:

Löst man die Gleichung mithilfe des Taschenrechners, erhält man das Ergebnis: .

Somit kann im letzten Schritt die Gerade aufgestellt werden. Man erhält .


Lagebeziehung Ebene-Ebene

Mögliche Lagebeziehungen zwischen zwei Ebenen

Merke:

Zwischen zwei Ebenen gibt es drei mögliche Lagebeziehungen:

Lagebeziehung zweier Ebenen (schneidend).png

Die Ebenen schneiden sich in einer Schnittgeraden.

Lagebeziehung zweier Ebenen (parallel).png

Die Ebenen sind parallel.

Lagebeziehung zweier Ebenen (identisch).png

Die Ebenen sind identisch.

Untersuchung der Lagebeziehung von zwei Ebenen

Beide Ebenengleichungen in Parameterform

Aufgabe 11: Lückentext zur Lagebeziehung zwischen Ebene und Ebene




Merke: Lagebeziehung von zwei Ebenen in Parameterform untersuchen.
Vorgehen bei der Untersuchung der Lagebeziehung zweier Ebenen in Parameterform.jpg


Aufgabe 12: Untersuchung der Lagebeziehung von zwei Ebenen in Parameterform


a) Gegeben sind eine Ebene und eine Ebene . Untersuche die Lagebeziehung der beiden Ebenen und berechne gegebenenfalls die Schnittgerade.

1. Schritt: Setze die beiden Ebenengleichungen gleich.


2. Schritt: Stelle das zugehörige lineare Gleichungssystem auf.

3. Schritt: Löse das Gleichungssystem mit dem Gaußverfahren oder dem Taschenrechner:

Mithilfe des Gaußverfahrens:

Mithilfe des Taschenrechners:

"Keine Lösung gefunden"

4. Schritt: Interpretiere die Lösung des Gleichungssystems:

In der dritten Zeile der Lösungsmatrix befindet sich ein Widerspruch, sodass das LGS keine Lösung besitzt: . Der Taschenrechner zeigt diese Interpretation direkt unterhalb der Lösungsmatrix an. Die beiden Ebenen sind somit parallel.

b) Gegeben sind eine Ebene und eine Ebene . Untersuche die Lagebeziehung der beiden Ebenen und berechne gegebenenfalls die Schnittgerade.


1. Schritt: Setze die beiden Ebenengleichungen gleich.

2. Schritt: Stelle das zugehörige lineare Gleichungssystem auf.

3. Schritt: Löse das Gleichungssystem mit dem Gaußverfahren oder dem Taschenrechner:

Mithilfe des Gaußverfahrens:

Mithilfe des Taschenrechners:

linSolve

4. Schritt: Interpretiere die Lösung des Gleichungssystems:

Die Lösungsmenge beträgt:. Die beiden Ebenen schneiden sich in einer Schnittgeraden.

5. Schritt: Bestimme die Schnittgerade:

Stelle die dritte Gleichung zu um:

Setze in die zweite Gleichung ein und stelle zu um:

Setze und in die erste Gleichung ein und stelle zu um:

Setze und in die Ebenengleichung ein:

Stelle die Schnittgerade auf:

Setze die Werte für und aus der Lösungsmenge in die Ebenengleichung ein:

Stelle die Schnittgerade auf:


Aufgabe 13: Ergebnisse interpretieren


Zur Untersuchung der Lagebeziehung zweier Ebenen, wurden die Ebenengleichungen gleichgesetzt und das zugehörige Gleichungssystem aufgestellt. Betrachte die Ausgabe des Taschenrechners und interpretiere die jeweilige Situation geometrisch ohne nachzurechnen.

a) 

linSolve

                     


Das Gleichungssystem besitzt unendlich viele Lösungen. Da nur einer der Parameter frei wählbar ist, schneiden sich die beiden Ebenen in einer Schnittgeraden.

b) 

linSolve

                      "Keine Lösung gefunden"
Das Gleichungssystem besitzt keine Lösung. Die Ebenen liegen somit parallel zueinander.

c) 

linSolve

                      
Das Gleichungssystem besitzt unendlich viele Lösungen. Da zwei Parameter frei wählbar sind, sind die beiden Ebenen identisch.

⭐Ebenengleichungen in Parameter- und Koordinatenform

⭐Merke: Lagebeziehung von einer Ebene in Parameterform und einer Ebene in Koordinatenform untersuchen

Seien durch eine Ebene in Parameterform und durch eine Ebene in Koordinatenform gegeben. Zur Untersuchung ihrer Lagebeziehung kannst du entsprechend des folgenden Schemas vorgehen:

Vorgehen zur Untersuchung der Lagebeziehung von zwei Ebenen.jpg


⭐Aufgabe 14: Untersuchung der Lagebeziehung von einer Ebene in Parameterform und einer Ebene in Koordinatenform


a) Gegeben sind eine Ebene und eine Ebene . Untersuche die Lagebeziehung der beiden Ebenen und berechne gegebenenfalls die Schnittgerade.


1. Schritt: Prüfe, ob die Richtungsvektoren und der Ebene orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegen:

Betrachte das Skalarprodukt der Richtungsvektoren und des Normalenvektors.

Es muss gelten, dass und .


2.Schritt: Interpretiere die Lösung der Skalarprodukte:

Da beide Skalarprodukte der jeweiligen Vektoren sind, liegt der Normalenvektor orthogonal zu beiden Richtungsvektoren. Das bedeutet, dass die Ebenen sich nicht in einer Schnittgeraden schneiden, sondern entweder identisch oder parallel sind.


3. Schritt: Überprüfe die Lagebeziehung mithilfe der Punktprobe:

Verwende für die Punktprobe den Aufpunkt der Ebene .

Setze den Aufpunkt der Ebene in die Ebenengleichung der Ebene ein.


4. Schritt: Interpretiere die Lösung der Punktprobe:

Da der Aufpunkt die Koordinatengleichung von erfüllt, liegt der Aufpunkt in . Da wir bereits wissen, dass die Ebenen entweder parallel oder identisch sind, haben wir damit gezeigt, dass und identisch sind.


b) Gegeben sind eine Ebene und eine Ebene . Untersuche die Lagebeziehung der beiden Ebenen und berechne gegebenenfalls die Schnittgerade.


1. Schritt: Prüfe, ob die Richtungsvektoren und der Ebene orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegen:

Betrachte das Skalarprodukt der Richtungsvektoren und des Normalenvektors.

Es muss gelten, dass und .


2.Schritt: Interpretiere die Lösung der Skalarprodukte:

Da das Skalarprodukt des ersten Richtungsvektors bereits ist, braucht man das Skalarprodukt des zweiten Richtungsvektors nicht mehr zu berechnen. Du kannst nun direkt folgern, dass sich die Ebenen in einer Schnittgeraden schneiden.

3. Schritt: Bestimme die Schnittgerade:

Schreibe mithilfe der Ebenengleichung die Gleichungen für die einzelnen Koordinaten auf.
Setze die Werte für und in die Ebenengleichung ein.
Setze in die Ebenengleichung ein, um anschließend die Geradengleichung aufstellen zu können.

Durch Umformen der Ebenengleichung erhält man:

,,

Einsetzen der Werte in die Ebenengleichung ergibt:

Einsetzen von in ergibt:

Nun kannst du die Geradengleichung aufstellen:


⭐Aufgabe 15: Lagebeziehungen untersuchen.


Untersuche die Lagebeziehung der jeweiligen Ebenen. Falls sich die Ebenen in einer Schnittgerade schneiden, brauchst du diese nicht zu berechnen.


a)

Prüfe, ob die Richtungsvektoren und der Ebene orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegen.

Da das Skalarprodukt des ersten Richtungsvektors bereits ist, braucht man das Skalarprodukt des zweiten Richtungsvektors nicht mehr zu berechnen. Du kannst nun direkt folgern, dass sich die Ebenen in einer Schnittgeraden schneiden.

b)

Prüfe, ob die Richtungsvektoren und der Ebene orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegen.

Da beide Skalarprodukte der jeweiligen Vektoren sind, liegt der Normalenvektor orthogonal zu beiden Richtungsvektoren. Das bedeutet, dass die Ebenen sich nicht in einer Schnittgeraden schneiden, sondern entweder identisch oder parallel sind.

Punktprobe:

Da die Koordinatengleichung nicht erfüllt wird, liegen die Ebenen parallel zueinander.

c)

Prüfe, ob die Richtungsvektoren und der Ebene orthogonal zum Normalenvektor der Ebene liegen.

Da beide Skalarprodukte der jeweiligen Vektoren sind, liegt der Normalenvektor orthogonal zu beiden Richtungsvektoren. Das bedeutet, dass die Ebenen sich nicht in einer Schnittgeraden schneiden, sondern entweder identisch oder parallel sind.

Punktprobe:

Da die Koordinatengleichung von erfüllt wird, liegt in und die Ebenen sind identisch.

⭐Beide Ebenengleichungen in Koordinatenform

⭐Merke: Untersuchung der Lagebeziehung von zwei Ebenen in Koordinatenform

Seien durch und zwei Ebenen in Koordinatenform gegeben. Zur Untersuchung ihrer Lagebeziehung kannst du entsprechend des folgenden Schemas vorgehen:

Lagebeziehung von Ebenen in Koordinatenform.jpg


⭐Beispiel: Untersuchung der Lagebeziehung von zwei Ebenen in Koordinatenform


Gegeben sind eine Ebene und eine Ebene . Untersuche die Lagebeziehung der beiden Ebenen und berechne gegebenenfalls die Schnittgerade.

1. Schritt: Prüfe, ob der Normalenvektor der Ebene ein Vielfaches des Normalenvektors der Ebene ist.

Bei der Betrachtung der Normalenvektoren und fällt direkt auf, dass die beiden Vektoren keine Vielfachen voneinander sind. Man kann also direkt schließen, dass sich die beiden Ebenen in einer Schnittgeraden schneiden. Ein formaler Nachweis würde wie folgt aussehen:

Da das LGS nicht lösbar ist, sind die Vektoren keine Vielfachen voneinander und die Ebenen schneiden sich in einer Schnittgeraden.

2. Schritt: Bestimme die Schnittgerade.

Stelle mit den beiden Ebenengleichungen ein LGS auf und löse es mithilfe des Gauß-Algorithmus oder dem Taschenrechner.

Mithilfe des Gaußverfahrens:

Setze und bestimme und .

Stelle die Geradengleichung auf.

Mithilfe des Taschenrechners:

linSolve

                      

Stelle mithilfe der Werte aus der Lösungsmenge die Geradengleichung auf.


⭐Aufgabe 16: Untersuchung der Lagebeziehung zwischen zwei Ebenen in Koordinatenform

Gegeben ist eine Ebene . Untersuche die Lagebeziehung zwischen dieser und den dir angezeigten Ebenen. Ziehe die Ebenen in das entsprechende Feld.



Um die Lagebeziehung von zwei Ebenen in Koordinatenform zu bestimmen, benötigst du keinen Taschenrechner. Schaue dir die beiden Gleichungen gut an.
Vergleiche die Gleichungen der zwei Ebenen miteinander. Vergleiche dabei zunächst die Normalenvektoren der Ebenen – also die linken Seiten der Gleichungen – miteinander und überprüfe, ob sie Vielfache voneinander sind. Falls das zutrifft, vergleiche auch noch die beiden rechte Seiten der Gleichungen miteinander.

Die Ebenen schneiden sich, wenn die beiden Gleichungen keine Vielfachen voneinander sind.

Die Ebenen sind parallel, wenn die Normalenvektoren identisch oder Vielfache voneinander sind, aber das LGS keine Lösung besitzt.

Die Ebenen sind identisch, wenn die Normalenvektoren identisch oder Vielfache voneinander sind und das LGS somit unendlich viele Lösungen hat.


⭐Aufgabe 17: Schnitt von zwei Zeltflächen


Die beiden Seitenflächen eines Zeltes liegen in den Ebenen und . Der Erdboden wird durch die -Ebene aufgespannt.

Skizze- Schnittgerade zweier Zeltwände.png

In welcher Höhe befindet sich die obere Zeltkante, wenn eine Einheit im Koordinatensystem cm entspricht?

Die obere Zeltkante entspricht der Schnittgeraden der beiden Ebenen.
Die Höhe der Zeltkante kannst du mithilfe des Stützvektors der Schnittgeraden ermitteln.

Die Zeltkante entspricht der Schnittgeraden der beiden Ebenen. Um die Höhe zu bestimmen, benötigt man also den Stützvektor der Geradengleichung der Zeltkante.

Da die Ebenen in Parameterform gegeben sind, setzen wir die Gleichungen zunächst gleich und lösen dann das entsprechende LGS:

und

Einsetzen von in ergibt:

Die Schnittgerade der beiden Ebenen lautet demnach:

Durch den Richtungsvektor der Geraden wird deutlich, dass sich die Schnittgerade parallel zur -Ebene befindet und somit überall den gleichen Abstand zum Boden hat. Da die Schnittgerade der oberen Zeltkante entspricht, lässt sich aus dem Stützvektor der Geraden die Höhe ablesen. Die Höhe kann mithilfe der -Koordinate des Vektors bestimmt werden.

Die obere Zeltkante befindet sich also in m Höhe.

⭐Berechnung des Winkels zwischen Ebene und Ebene

⭐ Merke: Berechnung des Winkel zwischen zwei Ebenen

Wenn sich zwei Ebenen schneiden, kann der Schnittwinkel bestimmt werden, den sie einschließen. Dazu kannst du die Normalenvektoren betrachten. Sie schließen denselben Winkel ein, wie die beiden Ebenen. Somit kann das Berechnen des Schnittwinkels zwischen zwei Ebenen auf das Berechnen des Winkels zwischen zwei Vektoren zurückgeführt werden.

Um den Schnittwinkel zu berechnen, musst du zunächst die Normalenvektoren der Ebenen bestimmen. Wenn du nicht mehr genau weißt, wie das geht, schaue nochmal in Kapitel Ebenen im Raum.


⭐ Merksatz: Formel zur Berechnung des Winkels zwischen zwei Ebenen


Winkel zwischen zwei Ebenen

Seien und zwei sich schneidende Ebenen mit den Normalenvektoren und . Der Schnittwinkel zwischen und kann mit folgender Formel berechnet werden: .

Ist nach dem Schnittwinkel gefragt, so ist immer der kleinere der beiden Winkel gesucht, die von den Ebenen eingeschlossen werden. Mit der obigen Formel erhält man deshalb für immer Werte zwischen und .


⭐Beispiel: Winkel berechnen zwischen zwei Ebenen


Gegeben sind zwei Ebenen und mit und . Berechne den Schnittpunkt zwischen den Ebenen.

1. Schritt: Bestimmte die Normalenvektoren von und .

Der Normalenvektor von ist . Der Normalenvektor von lautet .

2. Schritt: Einsetzen der Normalenvektoren in die Formel.

3. Schritt: Auflösen der Gleichung.

Der Winkel zwischen den Ebenen und beträgt ca. .


⭐ Aufgabe 18: Schnittwinkel zwischen Ebenen


Sei eine Ebene mit , eine Ebene mit . und eine Ebene mit .

Berechne den Winkel zwischen

a) und

Bei der Ebene handelt es sich um die -Ebene. Der Normalenvektor ist also . Der Normalenvektor der Ebene kann abgelesen werden: .

Einsetzen in die Formel liefert:

Nun muss die Formel mit Hilfe des Taschenrechners aufgelöst werden:

Der Winkel zwischen den Ebenen und beträgt ca. .

b) und

Die Normalenvektor der Ebenen und können abgelesen werden als und

Einsetzen in die Formel liefert:

.

Nun muss die Formel mit Hilfe des Taschenrechners aufgelöst werden:

Der Winkel zwischen den Ebenen und beträgt ca. .

c) und .

Bei der Ebene handelt es sich um die -Ebene. Der Normalenvektor ist also . Der Normalenvektor der Ebene kann abgelesen werden: .

Einsetzen in die Formel liefert:

Nun muss die Formel mit Hilfe des Taschenrechners aufgelöst werden:

Der Winkel zwischen den Ebenen und beträgt ca. .


⭐ Aufgabe 19: Ebenen gesucht


Der Winkel zwischen den beiden Vektoren und beträgt .

Gib die Gleichungen zweier Ebenen und an, die sich in einem Winkel von schneiden.

Der Winkel zwischen zwei Ebenen entspricht dem Winkel zwischen ihren Normalenvektoren. Da der Winkel zwischen den beiden angebenen Vektoren und genau dem Winkel entspricht, den die Ebenen einschließen sollen, können sie als Normalenvektoren der Ebenen verwendet werden. Die Punkte, durch die die Ebenen laufen, können frei gewählt werden.

Eine mögliche Lösung für die Ebenen lautet daher:

und .


⭐ Aufgabe 20: Bank am Wanderweg


An einem Wanderweg soll eine Holzbank aufgestellt werden. Die Bank wird so ausgerichtet, dass die Sitzfläche durch die Ebene und die Rückenlehne durch die Ebene beschrieben werden kann.

a) Um eine bequeme Sitzposition zu ermöglichen, sollte der Winkel zwischen Rückenlehne und Sitzfläche zwischen und liegen. Überprüfe, ob dies auf die neue Bank zutrifft.

Mache dir eine Skizze. Überlege genau, welchen Winkel du berechnen musst.
Skizze: Winkel zwischen der Rückenlehne und der Sitzfläche der Bank

Als Normalenvektor der Ebene erhält man und als Normalenvektor der Ebene erhält man .

Einsetzen in die Formel liefert:

Umstellen der Formel ergibt:

Wie in der Abbildung zu sehen wurde der Winkel berechnet. Der Winkel zwischen der Sitzfläche und der Rückenlehne wird aber durch den Winkel beschrieben. erhält man, indem man berechnet: . Mit einem Wert von liegt der Winkel zwischen Rückenlehne und Sitzfläche etwas über dem optimalen Winkel.

b)

Skizze: Bänke am Wanderweg

Da der Wanderweg sehr beliebt ist, soll noch eine zweite Bank aufgestellt werden. Sie wird so ausgerichtet, dass beide Bänke mit den Rückenlehnen aneinander stehen. Auch bei der zweiten Bank können die Sitzfläche und die Rückenlehne durch Ebenen beschrieben werden. Die Sitzfläche kann durch die selbe Ebene beschrieben werden, wie die Sitzfläche der anderen Bank (). Die Rückenlehne entspricht der Ebene Berechne den Winkel, unter dem die beiden Rückenlehnen der Bänke aufeinander treffen.

Skizze: Winkel zwischen den beiden Bänken am Wanderweg
Gesucht ist der Winkel zwischen der Ebene und der Ebene . Nutze zur Berechnung die Normalenvektoren der Ebenen.

Es soll der Winkel zwischen den beiden Rückenlehnen und berechnet werden.

Die Normalenvektoren der Ebenen lauten und .

Einsetzen in die Formel liefert:

Umstellen der Formel ergibt: . Der Winkel zwischen den beiden Rückenlehnen beträgt .