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Mathe-Arbeitsblätter Klasse 9

Stellen Sie aus mehr als 25.000 Matheaufgaben von der 3. bis zur 13. Klasse Ihre eigenen Arbeitsblätter zusammen. Alle Aufgaben enthalten Lösungsschritte.

Sachaufgaben zu Strahlensätzen

Lernziele

  • Skizziert Strahlensatzmodelle zu Sachaufgaben.
  • Berechnet unzugängliche Längen.
  • Prüft Modellannahmen und Ergebnisse.

Klicken Sie auf Aufgaben, um sie zum Drucken auszuwählen.

5565759
Ein Baum und ein senkrechter Messstab werfen zur gleichen Zeit Schatten auf ebenen Boden. Dabei entstehen zwei ähnliche rechtwinklige Schattendreiecke. Bezeichne die Baumhöhe mit \(H\), die Länge des Baumschattens mit \(b\), die Stabhöhe mit \(h\) und die Länge des Stabschattens mit \(s\). Welche Verhältnisgleichung passt zu den beiden ähnlichen Dreiecken? A: \(\frac{H}{b}=\frac{h}{s}\) B: \(\frac{H}{h}=\frac{s}{b}\) C: \(\frac{H}{s}=\frac{h}{b}\)

Denkanstöße

- Ordne jeder Höhe zuerst den Schatten desselben Gegenstands zu. - Vergleiche in beiden Dreiecken Seiten derselben Art in derselben Reihenfolge. - Prüfe bei jeder Antwortmöglichkeit, ob Höhe zu Höhe und Schatten zu Schatten passend zugeordnet sind.

Lösung

1. Im großen Schattendreieck gehören Baumhöhe \(H\) und Baumschatten \(b\) zusammen. 2. Im kleinen Schattendreieck gehören Stabhöhe \(h\) und Stabschatten \(s\) zusammen. 3. Entsprechende Seiten ähnlicher Dreiecke stehen im selben Verhältnis. Daher gilt \(\frac{H}{b}=\frac{h}{s}\). 4. Somit ist A richtig.

Antwort

Richtig ist A: \(\frac{H}{b}=\frac{h}{s}\).
5580699
Hubert steht bei \(S\). Vor ihm steht ein \(2\,\text{m}\) hoher Messstab mit den Punkten \(P\) unten und \(Q\) oben. Weiter hinten steht ein Turm mit den Punkten \(T\) unten und \(U\) oben. Die Punkte \(S,P,T\) liegen auf einer geraden Bodenlinie. Messstab \(PQ\) und Turm \(TU\) stehen senkrecht zu dieser Linie. Beim Blick zur Turmspitze liegen auch \(S,Q,U\) auf einer Geraden. Es gilt \(SP=3\,\text{m}\) und \(ST=9\,\text{m}\). a) Welche beiden Strecken sind parallel? b) Stelle eine Verhältnisgleichung für die Turmhöhe \(h=TU\) auf. Du musst \(h\) noch nicht berechnen.

Denkanstöße

- Welche beiden Strecken stellen die Höhen von Messstab und Turm dar? - Welche Lage haben zwei Strecken, die beide senkrecht zur selben Geraden stehen? - Ordne jeder Höhe den Abstand von \(S\) bis zu ihrem unteren Punkt zu.

Lösung

1. Die Strecken \(PQ\) und \(TU\) sind beide senkrecht zur Geraden durch \(S,P,T\). Deshalb gilt \(PQ\parallel TU\). 2. Zu \(PQ\) gehört der Abstand \(SP\), zu \(TU\) der Abstand \(ST\). 3. Eine passende Verhältnisgleichung ist \(\frac{PQ}{TU}=\frac{SP}{ST}\), also \(\frac{2}{h}=\frac{3}{9}\).

Antwort

a) \(PQ\parallel TU\) b) Zum Beispiel \(\frac{2}{h}=\frac{3}{9}\)
4148799
Um die Breite \(x\) eines Flusses zu bestimmen, markiert eine Vermesserin zwei direkt gegenüberliegende Punkte \(A\) und \(B\) an den Ufern. Durch weitere Markierungen entsteht eine X-Figur: \(A,S,C\) liegen auf einer Geraden, \(B,S,D\) auf einer zweiten, und es gilt \(AB\parallel CD\). Gegeben sind \(SA=24\,\text{m}\), \(SC=8\,\text{m}\) und \(CD=6\,\text{m}\). Berechne die Flussbreite \(x=AB\).

Denkanstöße

- Welche beiden Strecken sind als parallele Querstrecken gegeben? - Welche Entfernungen vom Schnittpunkt \(S\) gehören zu diesen Querstrecken? - Welche Form des Strahlensatzes bezieht die parallelen Querstrecken ein?

Lösung

1. Wegen \(AB\parallel CD\) liegt eine X-Strahlensatzfigur mit Scheitelpunkt \(S\) vor. 2. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{AB}{CD}=\frac{SA}{SC}\). 3. Einsetzen ergibt \(\frac{x}{6}=\frac{24}{8}=3\). Daher ist \(x=18\,\text{m}\).

Antwort

Die Flussbreite beträgt \(18\,\text{m}\).
4363739
Bei einer geometrischen Vermessung wird ein Bodenpunkt \(S\) als gemeinsamer Scheitelpunkt des Strahlenmodells verwendet. In \(3\,\text{m}\) Entfernung von \(S\) steht senkrecht ein \(2\,\text{m}\) hoher Peilstab. Die Spitze des Peilstabs, der Punkt \(S\) und die Spitze eines Aussichtsturms liegen auf einer Geraden. Der Fußpunkt des Turms ist \(24\,\text{m}\) von \(S\) entfernt. Berechne die Höhe \(h\) des Aussichtsturms.

Denkanstöße

- Welche beiden senkrechten Höhenstrecken sind im Modell parallel? - Von welchem gemeinsamen Punkt aus werden die beiden Entfernungen gemessen? - Welche Form des Strahlensatzes verbindet die parallelen Höhen mit diesen Entfernungen?

Lösung

1. Peilstab und Turm bilden zwei parallele Höhenstrecken in einer V-Figur mit Scheitelpunkt \(S\). 2. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{2\,\text{m}}{h}=\frac{3\,\text{m}}{24\,\text{m}}\). 3. Daraus folgt \(h=2\,\text{m}\cdot\frac{24}{3}=16\,\text{m}\).

Antwort

Der Aussichtsturm ist \(16\,\text{m}\) hoch.
4364189
Ein \(12\,\text{cm}\) hoher Gegenstand wird mit einer Lochkamera abgebildet. Der Gegenstand steht \(20\,\text{cm}\) vor dem Loch \(Z\); der Schirm befindet sich \(15\,\text{cm}\) hinter dem Loch. Berechne die Bildhöhe \(B\).

Denkanstöße

- Welcher Punkt ist der gemeinsame Scheitelpunkt der beiden Sichtstrahlen? - Welche beiden senkrechten Strecken sind im Modell parallel? - Welche Entfernungen vom Loch gehören zu Gegenstand und Bild?

Lösung

1. Das Loch \(Z\) ist der gemeinsame Scheitelpunkt der Sichtstrahlen; Gegenstand und Bild sind parallele Querstrecken. 2. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{B}{12\,\text{cm}}=\frac{15\,\text{cm}}{20\,\text{cm}}\). 3. Daher ist \(B=12\,\text{cm}\cdot\frac{15}{20}=9\,\text{cm}\).

Antwort

Die Bildhöhe beträgt \(9\,\text{cm}\).
5531299
Drei Skizzen zeigen mögliche Aufbauten, mit denen die Höhe eines Mastes mithilfe eines Peilstabs bestimmt werden soll. Welche Skizze bildet eine geeignete Strahlensatzfigur? Begründe deine Wahl mit den geometrischen Voraussetzungen.
Abbildung zur Aufgabe 553129

Denkanstöße

- Welche zwei Arten von Geraden braucht eine Strahlensatzfigur: gemeinsame Strahlen und parallele Querstrecken? - Prüfe in jeder Skizze zuerst, ob Peilstab und Mast parallel sind. - Prüfe anschließend, ob beide Spitzen auf derselben Sichtlinie vom Beobachtungspunkt aus liegen.

Lösung

1. In Skizze a) liegen Beobachtungspunkt, Fußpunkt des Peilstabs und Fußpunkt des Mastes auf einer Geraden. Außerdem sind Peilstab und Mast parallel, und ihre Spitzen liegen auf demselben Sichtstrahl vom Beobachtungspunkt aus. 2. Damit entstehen zwei ähnliche Dreiecke beziehungsweise eine gültige Strahlensatzfigur. 3. In b) ist der Peilstab gegenüber dem Mast geneigt; die benötigten Querstrecken sind nicht parallel. 4. In c) sind Peilstab und Mast zwar parallel, ihre Spitzen liegen aber nicht auf demselben Sichtstrahl. Es entsteht daher nicht die benötigte gemeinsame Strahlensatzfigur.

Antwort

Geeignet ist Skizze a). Dort sind Peilstab und Mast parallel, die Fußpunkte liegen auf einem gemeinsamen Strahl und die Spitzen auf einem zweiten gemeinsamen Strahl.
5565769
Mit einem senkrechten Messstab soll die Höhe eines Baumes über die gleichzeitig entstehenden Schatten bestimmt werden. Die beiden Schattendreiecke sind ähnlich. Bekannt sind bereits die Stabhöhe und die Länge des Baumschattens. Welche zusätzliche Messung wird benötigt? A: der Abstand zwischen Baum und Messstab B: die Länge des Stabschattens C: der Stammumfang des Baumes Begründe kurz.
Abbildung zur Aufgabe 556576

Denkanstöße

- Ordne in jedem Schattendreieck die Höhe der zugehörigen Schattenlänge zu. - Markiere, welche dieser Größen schon bekannt sind und welche beim Baum gesucht wird. - Welche noch fehlende Größe brauchst du, damit du ein Verhältnis aus entsprechenden Seiten bilden kannst?

Lösung

1. In jedem der beiden ähnlichen Schattendreiecke gehören eine Höhe und die zugehörige Schattenlänge zusammen. 2. Für den Baum ist die Schattenlänge bekannt, seine Höhe wird gesucht. Beim Messstab ist die Höhe bekannt. 3. Für ein vollständiges Verhältnis fehlt deshalb die Schattenlänge des Messstabs. 4. Der Abstand zwischen Baum und Messstab und der Stammumfang sind keine entsprechenden Seiten der beiden Schattendreiecke.

Antwort

B: Benötigt wird die Länge des Stabschattens. Für die Ähnlichkeitsrechnung braucht man bei beiden Schattendreiecken Höhe und Schattenlänge. Beim Messstab ist die Höhe schon bekannt; deshalb fehlt seine Schattenlänge.
5565779
Eine gerade Laderampe beginnt am Bodenpunkt \(S\). In \(2\,\text{m}\) waagerechter Entfernung von \(S\) stützt ein senkrechter Pfosten die Rampe in \(0{,}60\,\text{m}\) Höhe. Ein zweiter senkrechter Pfosten soll \(5\,\text{m}\) waagerecht von \(S\) entfernt aufgestellt werden. Wie hoch muss der zweite Pfosten sein, damit er die gerade Rampe genau erreicht?

Denkanstöße

- Welche beiden Linien treffen sich am Anfangspunkt \(S\) der Rampe? - Warum sind die beiden Stützpfosten geeignete parallele Querstrecken? - Vergleiche jeweils Pfostenhöhe und zugehörigen Abstand von \(S\).

Lösung

1. Boden und Rampe bilden zwei Strahlen mit Scheitelpunkt \(S\); die beiden senkrechten Pfosten sind parallel. 2. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt für die beiden parallelen Pfosten \(\frac{0{,}60}{h}=\frac{2}{5}\). 3. Gleichwertig ist \(\frac{0{,}60}{2}=\frac{h}{5}\). 4. Damit ist \(h=5\cdot\frac{0{,}60}{2}=1{,}50\,\text{m}\).

Antwort

Der zweite Pfosten muss \(1{,}50\,\text{m}\) hoch sein.
5580709
Auf einem Schulhof ist die Strecke \(AB\) durch ein Beet nicht direkt messbar. Mia wählt einen Punkt \(S\) außerhalb des Beets. Auf der Geraden durch \(A\) und \(S\) markiert sie auf der anderen Seite von \(S\) den Punkt \(C\). Auf der Geraden durch \(B\) und \(S\) markiert sie ebenfalls auf der anderen Seite von \(S\) den Punkt \(D\). Außerdem gilt \(AB\parallel CD\). Es gilt \(SA=18\,\text{m}\), \(SC=6\,\text{m}\) und \(CD=4\,\text{m}\). a) Welche Skizze passt zur Beschreibung: a) oder b)? Begründe kurz. b) Stelle eine passende Verhältnisgleichung auf und berechne \(AB\).
Abbildung zur Aufgabe 558070

Denkanstöße

- Prüfe in beiden Skizzen, ob die beiden Geraden wirklich durch \(S\) weiterlaufen. - Vergleiche danach die Strecken \(AB\) und \(CD\). - Ordne diese beiden Strecken den zugehörigen Abständen von \(S\) zu.

Lösung

1. In Skizze a) liegen \(A\), \(S\), \(C\) auf einer Geraden und auch \(B\), \(S\), \(D\) auf einer Geraden. Außerdem sind \(AB\) und \(CD\) parallel. Deshalb passt a). 2. Nach dem Strahlensatz gilt \(\frac{AB}{CD}=\frac{SA}{SC}\). 3. Einsetzen ergibt \(\frac{AB}{4}=\frac{18}{6}=3\). 4. Daher ist \(AB=12\,\text{m}\).

Antwort

a) Skizze a), weil \(A,S,C\) und \(B,S,D\) jeweils auf einer Geraden liegen und \(AB\parallel CD\) gilt. b) Zum Beispiel \(\frac{AB}{4}=\frac{18}{6}\); daraus folgt \(AB=12\,\text{m}\).
4148469
An einem geraden Flussufer liegen die Punkte \(A\), \(B\) und \(E\) auf einer Geraden. Es gilt \(AB=20\,\text{m}\) und \(BE=5\,\text{m}\); \(E\) liegt hinter \(B\). Der Punkt \(C\) liegt am anderen Ufer direkt gegenüber von \(A\), also gilt \(AC\perp AB\). Auf der Landseite wird durch \(E\) die Strecke \(ED\) senkrecht zu \(AB\) abgetragen. Der Punkt \(D\) wird so gewählt, dass \(C\), \(B\) und \(D\) auf einer Geraden liegen. Gemessen wird \(ED=4\,\text{m}\). Berechne die Flussbreite \(AC\). Begründe kurz, warum du den Strahlensatz verwenden darfst.

Denkanstöße

- Welche beiden Geraden treffen sich im Punkt \(B\)? - Welche Beziehung folgt daraus, dass \(AC\) und \(ED\) beide senkrecht zur Ufergeraden sind? - Ordne den beiden Querstrecken die Entfernungen von \(B\) auf der Ufergeraden zu.

Lösung

1. Die Geraden \(ABE\) und \(CBD\) schneiden sich in \(B\). 2. Weil \(AC\perp AB\) und \(ED\perp AB\) gilt, sind \(AC\) und \(ED\) parallel. 3. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{AC}{ED}=\frac{AB}{BE}\). 4. Einsetzen ergibt \(\frac{AC}{4}=\frac{20}{5}=4\). Daher ist \(AC=16\,\text{m}\).

Antwort

Die Flussbreite beträgt \(16\,\text{m}\). Der Strahlensatz ist anwendbar, weil sich die beiden Geraden in \(B\) schneiden und \(AC\parallel ED\) gilt.
4148659
In einer Camera obscura (Lochkamera) mit einer Tiefe von \(b=25\,\text{cm}\) wird ein \(12\,\text{m}\) hohes Haus abgebildet. Das Bild auf der Rückwand der Kamera ist \(15\,\text{cm}\) hoch. a) Bestimme die Entfernung \(g\) der Kamera vom Haus. b) Das Haus wird durch einen Baum ersetzt, der doppelt so weit von der Kamera entfernt steht. Wie groß muss der Baum sein, damit sein Bild ebenfalls \(15\,\text{cm}\) hoch ist? c) Erkläre allgemein, wie sich die Bildhöhe verändert, wenn die Kameratiefe \(b\) verkleinert wird und Gegenstandsgröße sowie Gegenstandsentfernung unverändert bleiben.

Denkanstöße

- Welche beiden senkrechten Strecken bilden Gegenstand und Bild im Strahlenmodell? - Welche Entfernungen vom Loch gehören zu diesen beiden parallelen Strecken? - Was bleibt in Teil c) konstant, wenn nur die Kameratiefe verändert wird?

Lösung

1. Gegenstand und Bild sind parallele Querstrecken; die Lichtstrahlen durch das Loch bilden zwei Strahlen mit gemeinsamem Scheitelpunkt. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{h}{G}=\frac{b}{g}\). 2. Für a) ist \(\frac{0{,}15}{12}=\frac{0{,}25}{g}\). Daraus folgt \(g=20\,\text{m}\). 3. Der Baum steht damit \(40\,\text{m}\) von der Kamera entfernt. Für b) gilt \(\frac{0{,}15}{G_2}=\frac{0{,}25}{40}\). Daraus folgt \(G_2=24\,\text{m}\). 4. Aus \(\frac{h}{G}=\frac{b}{g}\) folgt bei konstanten \(G\) und \(g\): Wird \(b\) kleiner, wird auch \(h\) im selben Verhältnis kleiner.

Antwort

a) Die Kamera steht \(20\,\text{m}\) vom Haus entfernt. b) Der Baum muss \(24\,\text{m}\) hoch sein. c) Die Bildhöhe wird kleiner; bei unveränderten übrigen Größen verändert sie sich im selben Verhältnis wie die Kameratiefe.
4148699
Ein \(2\,\text{m}\) hoher Zaun steht \(12\,\text{m}\) vor einer Hauswand. Ein Beobachter steht \(3\,\text{m}\) vor dem Zaun; seine Augen befinden sich \(1{,}60\,\text{m}\) über dem Boden. Aus dieser Perspektive verdeckt der Zaun einen Teil der Hauswand. Bestimme, bis zu welcher Höhe \(H\) die Hauswand verdeckt wird.

Denkanstöße

- Wo liegt der gemeinsame Scheitelpunkt des Strahlenmodells? - Welche Höhenanteile müssen deshalb relativ zur Augenhöhe betrachtet werden? - Welche Entfernungen vom Auge gehören zu Zaun und Hauswand?

Lösung

1. Vom Auge bis zum Zaun beträgt der senkrechte Höhenunterschied \(2{,}00\,\text{m}-1{,}60\,\text{m}=0{,}40\,\text{m}\). Der Abstand beträgt \(3\,\text{m}\). 2. Die Hauswand ist insgesamt \(3\,\text{m}+12\,\text{m}=15\,\text{m}\) vom Beobachter entfernt. Der entsprechende Höhenunterschied ist \(H-1{,}60\,\text{m}\). 3. Zaun und Hauswand sind parallel. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{0{,}40\,\text{m}}{H-1{,}60\,\text{m}}=\frac{3\,\text{m}}{15\,\text{m}}\). 4. Daraus folgt \(H-1{,}60\,\text{m}=2{,}00\,\text{m}\) und somit \(H=3{,}60\,\text{m}\).

Antwort

Die Hauswand wird bis \(3{,}60\,\text{m}\) Höhe verdeckt.
4148709
Zwei zylindrische Litfaßsäulen stehen hintereinander auf einem Platz. Die vordere Säule hat einen Durchmesser von \(1{,}20\,\text{m}\), die hintere einen Durchmesser von \(1{,}80\,\text{m}\). Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Säulen beträgt genau \(6\,\text{m}\). Betrachtet wird die Draufsicht. Ein Beobachter bewegt sich auf der Geraden durch die beiden Mittelpunkte. Bestimme, in welcher Entfernung vom Mittelpunkt der kleineren Säule er stehen muss, damit die kleinere Säule die größere in der Draufsicht exakt verdeckt.

Denkanstöße

- Welche Strecken stehen an den beiden Berührpunkten senkrecht auf derselben Sichtlinie? - Welche beiden Entfernungen vom Beobachter gehören zu den beiden Säulen? - Welche Form des Strahlensatzes verknüpft die parallelen Querstrecken mit diesen Entfernungen?

Lösung

1. Die Radien der Säulen sind \(0{,}60\,\text{m}\) und \(0{,}90\,\text{m}\). 2. Sei \(x\) der Abstand des Beobachters vom Mittelpunkt der kleineren Säule. Zum Mittelpunkt der größeren Säule beträgt der Abstand dann \(x+6\,\text{m}\). 3. Die Radien zu den Berührpunkten derselben Sichtlinie stehen beide senkrecht auf dieser Sichtlinie und sind daher parallel. Mit dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{0{,}60\,\text{m}}{0{,}90\,\text{m}}=\frac{x}{x+6\,\text{m}}\). 4. Daraus folgt \(0{,}90x=0{,}60(x+6\,\text{m})\), also \(0{,}30x=3{,}60\,\text{m}\) und damit \(x=12\,\text{m}\).

Antwort

Der Beobachter muss \(12\,\text{m}\) vom Mittelpunkt der kleineren Säule entfernt stehen.
4148719
Ein Fotograf möchte ein Modellauto mit einer Länge von \(12\,\text{cm}\) so vor seiner Kamera platzieren, dass es auf dem Foto exakt die gleiche Länge einnimmt wie ein echtes Auto mit einer Länge von \(4{,}80\,\text{m}\), das im Hintergrund steht. Beide Autos stehen quer zur Blickrichtung; ihre Längsachsen sind parallel zueinander und parallel zur Bildebene. a) Das Modellauto steht \(80\,\text{cm}\) vom Objektiv entfernt. Bestimme die Entfernung des echten Autos vom Objektiv. b) Das echte Auto wird anschließend um \(10\,\text{m}\) weiter vom Objektiv entfernt. Bestimme, um wie viele Zentimeter das Modellauto verschoben werden muss, damit beide auf dem Bild weiterhin deckungsgleich erscheinen.

Denkanstöße

- Welche beiden Objektlängen liegen in parallelen Ebenen quer zur Blickrichtung? - Welche Entfernungen vom Objektiv gehören in a) zu diesen beiden Längen? - Was ändert sich in b), und welche Größen bleiben unverändert?

Lösung

1. Die Autolängen bilden parallele Querstrecken zu den Sichtstrahlen vom Objektiv. Für Teil a gilt nach dem zweiten Strahlensatz \(\frac{12\,\text{cm}}{480\,\text{cm}}=\frac{80\,\text{cm}}{d}\). 2. Daraus folgt \(d=3200\,\text{cm}=32\,\text{m}\). 3. Nach der Verschiebung ist das echte Auto \(42\,\text{m}=4200\,\text{cm}\) vom Objektiv entfernt. 4. Für den neuen Abstand \(d_m\) des Modellautos gilt \(\frac{12\,\text{cm}}{480\,\text{cm}}=\frac{d_m}{4200\,\text{cm}}\). Damit ist \(d_m=105\,\text{cm}\). 5. Das Modellauto muss daher um \(105\,\text{cm}-80\,\text{cm}=25\,\text{cm}\) weiter vom Objektiv entfernt werden.

Antwort

a) Das echte Auto muss \(32\,\text{m}\) vom Objektiv entfernt stehen. b) Das Modellauto muss um \(25\,\text{cm}\) weiter vom Objektiv entfernt werden.
4148729
Eine Taschenlampe wird auf einem Tisch platziert; ihre punktförmig angenommene Lichtquelle befindet sich auf Höhe der Tischoberfläche. Sie beleuchtet ein \(20\,\text{cm}\) hohes Lineal, das senkrecht auf dem Tisch steht. Das Lineal wirft auf einer senkrechten Wand einen \(1\,\text{m}\) hohen Schatten, gemessen ab der Tischoberfläche. Die Wand ist genau \(2\,\text{m}\) vom Lineal entfernt. a) Berechne den Abstand der Lichtquelle vom Lineal. b) Begründe unter Verwendung mathematischer Fachbegriffe, warum in dieser Situation die Strahlensätze angewendet werden dürfen.

Denkanstöße

- Wo liegt der gemeinsame Scheitelpunkt der beiden Lichtstrahlen? - Welche beiden senkrechten Strecken sind parallel zueinander? - Vergleiche die beiden Höhen mit den jeweiligen Entfernungen von der Lichtquelle.

Lösung

1. Es gilt \(h=20\,\text{cm}=0{,}2\,\text{m}\), \(H=1\,\text{m}\) und der Abstand zwischen Lineal und Wand beträgt \(2\,\text{m}\). 2. Sei \(x\) der Abstand der Lichtquelle vom Lineal. Dann beträgt der Abstand der Lichtquelle von der Wand \(x+2\). 3. Lineal und Wand sind parallel. Mit dem zweiten Strahlensatz beziehungsweise mit der Ähnlichkeit der beiden entstehenden Dreiecke gilt \(\frac{h}{H}=\frac{x}{x+2}\). 4. Einsetzen liefert \(\frac{0{,}2}{1}=\frac{x}{x+2}\). Daraus folgt \(0{,}2(x+2)=x\), also \(x=0{,}5\,\text{m}\). 5. Die Strahlensätze sind anwendbar, weil zwei Strahlen von der punktförmigen Lichtquelle ausgehen und die beiden senkrechten Strecken an Lineal und Wand parallel zueinander sind.

Antwort

a) Der Abstand der Lichtquelle vom Lineal beträgt \(0{,}5\,\text{m}\) beziehungsweise \(50\,\text{cm}\). b) Die Lichtstrahlen bilden zwei Strahlen mit gemeinsamem Scheitelpunkt; Lineal und Wand liefern dazu parallele Querstrecken. Damit liegt eine Strahlensatzfigur vor.
4148759
Ein senkrechter Pfosten von \(6{,}0\,\text{m}\) Höhe wirft auf einer horizontalen, ebenen Fläche einen \(9{,}0\,\text{m}\) langen Schatten. In einem Abstand von \(6{,}0\,\text{m}\) vom Pfosten steht eine senkrechte Wand, die parallel zum Pfosten verläuft und den Schattenwurf vorzeitig unterbricht. Berechne die Höhe \(h_w\), in der der Schatten des Pfostens an der Wand endet.

Denkanstöße

- Wo liegt der gemeinsame Scheitelpunkt der beiden Schatten-Dreiecke? - Welche Entfernungen von diesem Punkt gehören zur Wand und zum Pfosten? - Welche beiden senkrechten Strecken sind parallel?

Lösung

1. Vom gemeinsamen Schattentip aus beträgt der Abstand zur Wand \(9{,}0\,\text{m}-6{,}0\,\text{m}=3{,}0\,\text{m}\); der Abstand zum Pfosten beträgt \(9{,}0\,\text{m}\). 2. Pfosten und Wandabschnitt sind parallel. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{h_w}{6{,}0\,\text{m}}=\frac{3{,}0\,\text{m}}{9{,}0\,\text{m}}\). 3. Somit ist \(h_w=6{,}0\,\text{m}\cdot\frac{3}{9}=2{,}0\,\text{m}\).

Antwort

Der Schatten endet in \(2{,}0\,\text{m}\) Höhe an der Wand.
4148809
Eine \(5{,}00\,\text{m}\) hohe Straßenlaterne wirft nachts den Schatten einer \(1{,}60\,\text{m}\) großen Person. Die Person steht \(4{,}25\,\text{m}\) vom Mast entfernt. a) Berechne die Schattenlänge \(s\). b) Begründe ohne weitere Rechnung, wie sich die Schattenlänge verändert, wenn die Person auf die Laterne zugeht.

Denkanstöße

- Wo liegt der gemeinsame Scheitelpunkt der beiden Schatten-Dreiecke? - Wie weit ist dieser Punkt von der Person und wie weit von der Laterne entfernt? - Welche beiden senkrechten Strecken sind parallel?

Lösung

1. Der gemeinsame Scheitelpunkt der Strahlensatzfigur ist die Schattenspitze. Die Person und die Laterne bilden parallele Höhenstrecken. 2. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{1{,}60\,\text{m}}{5{,}00\,\text{m}}=\frac{s}{s+4{,}25\,\text{m}}\). 3. Daraus folgt \(5s=1{,}6(s+4{,}25)\), also \(3{,}4s=6{,}8\) und damit \(s=2\,\text{m}\). 4. Geht die Person zur Laterne, wird bei gleicher Körper- und Laternenhöhe der Abstand zwischen den parallelen Höhenstrecken kleiner; die Schattenlänge wird dadurch kürzer.

Antwort

a) Der Schatten ist \(2\,\text{m}\) lang. b) Der Schatten wird kürzer.
4363749
Ein Baugerüst wird zur Stabilisierung mit zwei sich kreuzenden Streben versehen. Die horizontalen Balken \(AB\) und \(CD\) verlaufen parallel zueinander. Es sind \(ZA=1{,}2\,\text{m}\), \(ZB=1{,}0\,\text{m}\) und \(ZC=2{,}4\,\text{m}\) bekannt. 1. Berechne \(ZD\). 2. Berechne \(CD\), wenn \(AB=0{,}8\,\text{m}\) ist.
Abbildung zur Aufgabe 436374

Denkanstöße

- Welche Strecken liegen in der X-Figur jeweils auf derselben Geraden durch \(Z\)? - Achte bei den Verhältnissen auf dieselbe Orientierung auf beiden Geraden. - Für den zweiten Teil brauchst du zusätzlich das Verhältnis der beiden parallelen Balken.

Lösung

1. Nach dem ersten Strahlensatz gilt \(\frac{ZA}{ZC}=\frac{ZB}{ZD}\). Damit ist \(\frac{1{,}2}{2{,}4}=\frac{1{,}0}{ZD}\), also \(ZD=2{,}0\,\text{m}\). 2. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{ZA}{ZC}=\frac{AB}{CD}\). Daher ist \(\frac{1{,}2}{2{,}4}=\frac{0{,}8}{CD}\) und somit \(CD=1{,}6\,\text{m}\).

Antwort

1. \(ZD=2{,}0\,\text{m}\) 2. \(CD=1{,}6\,\text{m}\)
4363789
Ein Fahnenmast wirft an einem sonnigen Tag einen Schatten auf den ebenen Boden. Noah ist \(1{,}60\,\text{m}\) groß und stellt sich so auf, dass die Spitze seines Schattens genau auf die Spitze des Mastschattens fällt. Noah ist \(2\,\text{m}\) von dieser Schattenspitze entfernt. Sein Abstand zum Fußpunkt des Fahnenmasts beträgt \(7\,\text{m}\). Berechne die Höhe \(h\) des Fahnenmasts.
Abbildung zur Aufgabe 436378

Denkanstöße

- Welche beiden senkrechten Strecken sind in der Schattensituation parallel? - Welche Entfernungen von der gemeinsamen Schattenspitze gehören zu diesen beiden Strecken? - Welche Form des Strahlensatzes verbindet parallele Querstrecken mit den Entfernungen vom gemeinsamen Ausgangspunkt?

Lösung

1. Die gesamte Schattenlänge des Fahnenmasts beträgt \(2\,\text{m}+7\,\text{m}=9\,\text{m}\). 2. Die Körperhöhe Noahs und die Masthöhe bilden parallele Querstrecken. Mit dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{h}{1{,}60\,\text{m}}=\frac{9\,\text{m}}{2\,\text{m}}\). 3. Daher ist \(h=1{,}60\,\text{m}\cdot\frac{9}{2}=7{,}2\,\text{m}\).

Antwort

Der Fahnenmast ist \(7{,}2\,\text{m}\) hoch.
4371319
Zwei senkrechte Stäbe stehen auf einer ebenen Fläche. Ein kleinerer Stab \(AB\) hat die Höhe \(2\,\text{m}\), ein größerer Stab \(CD\) die Höhe \(5\,\text{m}\). Von einem Beobachtungspunkt \(S\) auf dem Boden aus liegen die Spitzen \(B\) und \(D\) genau auf einer Sichtlinie. Der Abstand vom Punkt \(S\) zum Fußpunkt \(A\) des ersten Stabes beträgt \(3\,\text{m}\). a) Begründe kurz, warum die Höhen der beiden Stäbe mit ihren Entfernungen vom Beobachtungspunkt proportional verglichen werden dürfen. b) Berechne die Entfernung \(AC\) zwischen den beiden Stäben.
Abbildung zur Aufgabe 437131

Denkanstöße

- Welche beiden Geraden gehen vom Beobachtungspunkt \(S\) aus? - Welche beiden Strecken sind parallel, weil die Stäbe senkrecht auf demselben Boden stehen? - Welche Verhältnisgleichung des zweiten Strahlensatzes verbindet die beiden Stabhöhen mit den Bodenstrecken ab \(S\)? - Achte darauf, ob nach der Gesamtlänge oder nur nach dem Teilstück zwischen den Stäben gefragt ist.

Lösung

1. Die Punkte \(S,A,C\) liegen auf dem Boden auf einer Geraden, und die Punkte \(S,B,D\) liegen auf der Sichtlinie. Da beide Stäbe senkrecht auf dem Boden stehen, gilt \(AB\parallel CD\). Damit liegt eine Strahlensatzfigur mit Scheitelpunkt \(S\) vor. 2. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{CD}{AB}=\frac{SC}{SA}\). 3. Berechnung der Gesamtlänge \(SC\): \(\frac{5}{2} = \frac{SC}{3} \implies 2{,}5 = \frac{SC}{3} \implies SC = 7{,}5\,\text{m}\). 4. Berechnung des Abstands \(AC\): \(AC = SC - SA = 7{,}5 - 3 = 4{,}5\,\text{m}\).

Antwort

a) Die Stäbe sind parallel, und ihre Spitzen liegen mit \(S\) auf derselben Sichtlinie. Daher entstehen zwei gleich geformte Sichtdreiecke und die entsprechenden Höhen und Abstände sind proportional. b) \(AC = 4{,}5\,\text{m}\).
5531309
Eine punktförmige Lichtquelle steht auf Bodenhöhe. In \(3\,\text{m}\) Entfernung befindet sich eine senkrechte, \(1{,}5\,\text{m}\) hohe Tafel. Weitere \(5\,\text{m}\) dahinter steht eine senkrechte Wand. Kai rechnet für die Schattenhöhe an der Wand: \(1{,}5\,\text{m}\cdot\frac{5}{3}=2{,}5\,\text{m}\). Erkläre Kais Modellierungsfehler. Berechne anschließend die richtige Schattenhöhe \(h\).
Abbildung zur Aufgabe 553130

Denkanstöße

- Wo liegt der gemeinsame Scheitelpunkt der Strahlensatzfigur? - Von welchem Punkt aus müssen beide Entfernungen gemessen werden? - Vergleiche die parallelen Höhen mit den jeweils zugehörigen Gesamtentfernungen von der Lichtquelle.

Lösung

1. Kai verwendet im Zähler des Entfernungsverhältnisses nur den Abstand von der Tafel zur Wand. Für die ähnliche Figur zählt aber der Abstand vom gemeinsamen Scheitelpunkt, also von der Lichtquelle aus. 2. Die Wand ist insgesamt \(3\,\text{m}+5\,\text{m}=8\,\text{m}\) von der Lichtquelle entfernt. 3. Tafel und Wand sind parallel. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{h}{1{,}5\,\text{m}}=\frac{8\,\text{m}}{3\,\text{m}}\). 4. Somit ist \(h=1{,}5\,\text{m}\cdot\frac{8}{3}=4\,\text{m}\).

Antwort

Kai verwendet fälschlich die Strecke von der Tafel zur Wand statt der Gesamtentfernung von der Lichtquelle zur Wand. Richtig ist \(h=4\,\text{m}\).
5565789
Bei einer Geländevermessung soll die Länge einer unzugänglichen geraden Begrenzung \(AB\) bestimmt werden. Vom Messpunkt \(S\) führen Sichtstrahlen durch \(C\) nach \(A\) und durch \(D\) nach \(B\). Die zugängliche Messstrecke \(CD\) wurde parallel zu \(AB\) abgesteckt. Es gilt \(SC=7{,}5\,\text{m}\), \(SA=30\,\text{m}\), \(SD=9\,\text{m}\) und \(CD=6\,\text{m}\). Berechne \(AB\) und \(DB\).

Denkanstöße

- Welche beiden Querstrecken wurden bewusst parallel abgesteckt? - Welche Verhältnisgleichung vergleicht nur Entfernungen vom Messpunkt \(S\)? - Welche weitere Verhältnisgleichung bezieht die beiden parallelen Querstrecken ein?

Lösung

1. Wegen \(CD\parallel AB\) liegt eine Strahlensatzfigur mit Scheitelpunkt \(S\) vor. 2. Nach dem ersten Strahlensatz gilt \(\frac{SB}{SD}=\frac{SA}{SC}=\frac{30}{7{,}5}=4\). Daher ist \(SB=9\,\text{m}\cdot4=36\,\text{m}\) und \(DB=36\,\text{m}-9\,\text{m}=27\,\text{m}\). 3. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{AB}{CD}=\frac{SA}{SC}=4\). Somit ist \(AB=6\,\text{m}\cdot4=24\,\text{m}\).

Antwort

\(DB=27\,\text{m}\), \(AB=24\,\text{m}\)
5565799
Zur Höhenbestimmung eines senkrechten Turms verwendet Nele einen \(1{,}50\,\text{m}\) langen Messstab und die Schattenmethode. Der Messstab steckt jedoch deutlich schräg im Boden. Nele misst trotzdem seine volle Länge und seinen Schatten und setzt diese Werte wie bei einem senkrechten Vergleichsstab in eine Verhältnisgleichung ein. Beurteile, ob dieses Modell gültig ist. Nenne die verletzte geometrische Voraussetzung und eine Möglichkeit, die Messung zu korrigieren.

Denkanstöße

- Welche Strecken bilden im Standard-Schattenmodell die parallelen Querstrecken? - Ist die tatsächliche Stabrichtung hier parallel zur Turmrichtung? - Welche Änderung an der Messanordnung stellt die fehlende Voraussetzung wieder her?

Lösung

1. Beim üblichen Schattenmodell entsprechen Turmhöhe und Stabhöhe einander als parallele Querstrecken. 2. Der senkrechte Turm und der schräg stehende Messstab sind nicht parallel. Deshalb entsteht mit der vollen Stablänge nicht die vorausgesetzte Strahlensatzfigur. 3. Neles Verhältnisgleichung ist daher nicht gerechtfertigt. 4. Eine einfache Korrektur besteht darin, den Messstab senkrecht aufzustellen und anschließend seine Höhe und die zugehörige Schattenlänge zu messen.

Antwort

Das Modell ist nicht gültig, weil Messstab und Turm nicht parallel sind. Der Messstab muss beispielsweise senkrecht aufgestellt werden, bevor die übliche Schattenproportion verwendet wird.
5565809
Mila möchte die Höhe eines Baumes bestimmen. Ihre Augen befinden sich \(1{,}60\,\text{m}\) über dem ebenen Boden. Ein senkrechter Peilstab ist \(2{,}20\,\text{m}\) hoch und steht \(3\,\text{m}\) von dem Punkt am Boden entfernt, der senkrecht unter Milas Augen liegt. Der Baum steht auf derselben Geraden \(18\,\text{m}\) von diesem Punkt entfernt. Mila richtet ihren Blick so aus, dass ihr Auge, die Spitze des Peilstabs und die Baumspitze auf einer Geraden liegen. Berechne die Baumhöhe \(H\). Erkläre außerdem, warum nicht die volle Peilstabhöhe \(2{,}20\,\text{m}\) als entsprechende Höhenstrecke eingesetzt werden darf.

Denkanstöße

- Wo liegt in dieser Sichtlinien-Situation der gemeinsame Scheitelpunkt? - Welche senkrechte Strecke am Peilstab beginnt auf derselben Höhe wie dieser Scheitelpunkt? - Wie lässt sich der entsprechende Höhenanteil am Baum mit \(H\) ausdrücken? - Welche Form des Strahlensatzes verbindet diese parallelen Höhenanteile mit ihren Entfernungen vom Auge?

Lösung

1. Der gemeinsame Scheitelpunkt der Strahlensatzfigur ist Milas Auge. Deshalb müssen die senkrechten Höhenanteile oberhalb der Augenhöhe verglichen werden. 2. Beim Peilstab beträgt dieser Höhenanteil \(2{,}20\,\text{m}-1{,}60\,\text{m}=0{,}60\,\text{m}\). Beim Baum beträgt er \(H-1{,}60\,\text{m}\). 3. Nach dem zweiten Strahlensatz gilt \(\frac{0{,}60\,\text{m}}{H-1{,}60\,\text{m}}=\frac{3\,\text{m}}{18\,\text{m}}\). 4. Daraus folgt \(H-1{,}60\,\text{m}=3{,}60\,\text{m}\) und somit \(H=5{,}20\,\text{m}\).

Antwort

Die Baumhöhe beträgt \(5{,}20\,\text{m}\). Verwendet werden die Höhenanteile oberhalb der Augenhöhe, weil Milas Auge der gemeinsame Ausgangspunkt der Sichtlinien ist.

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