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Erarbeitung

Leitfrage

Gegeben ist eine Zeit-Weg-Funktion, die die Bewegung eines Autos beschreibt. Die Zeit wird dabei in Sekunden [s], der zurückgelegte Weg in Meter [m] angegeben. Wie kann man die momentane Geschwindigkeit des Autos ermitteln?

Eine Momentangeschwindigkeit abschätzen

Betrachte die Autofahrt, die im Applet dargestellt ist. Bearbeite die Aufgaben unter dem Applet.

Zum Herunterladen: tempolimit2.ggb

Aufgabe 1

(a) Blende im Applet das Werkzeug ein. Deute die angezeigten Koordinaten der beiden Punkte P und Q. Deute auch die Zahlenangabe an dem roten und dem violetten Pfeil.

(b) Bestimme die mittlere Geschwindigkeit in dem Zeitintervall, das durch die beiden Punkte $P$ und $Q$ festgelegt wird.

Infos zur Geschwindigkeitsberechnung

Die mittlere Geschwindigkeit (bzw. Durchschnittsgeschwindigkeit) in einem Zeitintervall bestimmt man so:

$\text{mittlere Geschwindigkeit} = \displaystyle{\frac{\text{zurückgelegte Wegstrecke}}{\text{benötigte Zeit}}}$

Wenn man die mittlere Geschwindigkeit mit den Koordinaten der Punkte $P$ und $Q$ bestimmt, erhält man eine Geschwindigkeit in der Einheit $m/s$. Zur Umrechnung in die Einheit $km/h$ benutzt man den Zusammenhang $3.6 \, km/h = 1 \, m/s$.

(c) Variiere die Lage der Punkte $P$ und $Q$ so, dass du bessere Abschätzungen für die Geschwindigkeit des Autos an der Blitzerposition erhältst. Du kannst dabei den relevanten Grafikausschnitt vergrößern. Zu welchem Ergebnis kommt man dabei? Soll R. Protest einlegen? Dokumentiere die Berechnungen.

Aufgabe 2

Mit dem Werkzeug im Applet oben stößt man schnell an Grenzen, wenn der Punkt Q sehr nahe beim Punkt P liegt. Man kann die Daten an den Pfeilen nicht mehr gut ablesen. Verwende das folgende Applet, um die momentane Geschwindigkeit zum Zeitpunkt $x_0 = 12$ möglichst gut abzuschätzen. Beachte: Das Applet liefert auf 10 Stellen gerundete Werte.

Applet einblenden

Zum Herunterladen: tempolimit3.ggb

  • Mit der Eingabe $x_0 = [\dots]$ legt man den Zeitpunkt fest, für den man die Momentangeschwindigkeit bestimmen will (z.B. $x_0 = 12$). Der Wert $x_0$ ist die $x$-Koordinate vom Punkt $P$.
  • Mit der Eingabe $h = [\dots]$ legt man fest, wie groß das betrachtete Zeitintervall sein soll. Hier kann man sehr kleine Zeitintervalle eingeben (z.B. $h = 0.001$). Der Punkt Q hat dann die x-Koordinate $x_0+h$.
  • Angezeigt werden die y-Koordinate $f(x_0)$ von P sowie $f(x_0+h)$ von Q.
  • Die mittlere Geschwindigkeit zum Zeitintervall $x_0 \leq x \leq x_0+h$ kann man jetzt aus den eingegebenen und den angezeigten Werten berechnen.

Aufgabe 3

Erkläre, warum man zur Bestimmung der Momentangeschwindigkeit die beiden Punkte P und Q nicht beide an die Blitzerposition verschieben darf.

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