Lösung Abitur Bayern 2017 Mathematik Analytische Geometrie V

zur Angabe dieser Abituraufgabe

Teilaufgabe Teil B d (3 BE)

Ein Solarmodul wird an einem Metallrohr befestigt, das auf einer horizontalen Fläche senkrecht steht. Das Solarmodul wird modellhaft durch das Rechteck

A B C D

dargestellt. Das Metallrohr lässt sich durch eine Strecke, der Befestigungspunkt am Solarmodul durch den Punkt

M

beschreiben (vgl. Abbildung). Die horizontale Fläche liegt im Modell in der

x_{1} x_{2}

-Ebene des Koordinatensystems; eine Längeneinheit entspricht

0, 8 m

in der Realität.

Um einen möglichst großen Energieertrag zu erzielen, sollte die Größe des Neigungswinkels

φ

des Solarmoduls gegenüber der Horizontalen zwischen

30^{\circ}

und

36^{\circ}

liegen. Prüfen Sie, ob diese Bedingung erfüllt ist.

Lösung zu Teilaufgabe Teil B d

Winkel zwischen zwei Ebenen

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Normalenvektor

\vec{n_{E}}

der Ebene

E

\vec{n_{E}} = (\begin{matrix} 3 \\ - 1 \\ 5 \end{matrix})

Normalenvektor der

x_{1} x_{2}

-Ebene:

\vec{n} = (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix})

Schritt einblenden / ausblenden

Winkel zwischen zwei Ebenen

Der Winkel

α

zwischen zwei Ebenen

E

und

G

ist gleich dem Winkel zwischen den Normalenvektoren

\vec{n_{E}}

und

\vec{n_{G}}

Winkel

φ

zwischen den Normalenvektoren der Ebene

E

und der

x_{1} x_{2}

-Ebene bestimmen:

Schritt einblenden / ausblenden

Skalarprodukt

Winkel zwischen zwei Vektoren

Aus der allgemeinen Definition des Skalarproduktes zweier Vektoren

\vec{a}

und

\vec{b}

\vec{a} \circ \vec{b} = | \vec{a} | \cdot | \vec{b} | \cdot \cos \underset{α}{\underset{︸}{∡ (\vec{a}, \vec{b})}}

folgt für den Winkel

α

zwischen den beiden Vektoren:

\cos α = \frac{\vec{a} \circ \vec{b}}{| \vec{a} | \cdot | \vec{b} |}

(Formel zur Winkelberechnung zwischen 2 Vektoren)

\cos φ = \frac{(\begin{matrix} 3 \\ - 1 \\ 5 \end{matrix}) \circ (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix})}{| (\begin{matrix} 3 \\ - 1 \\ 5 \end{matrix}) | \cdot | (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}) |}

Schritt einblenden / ausblenden

Betrag eines Vektors

Die Länge (bzw. der Betrag)

| \vec{a} |

eines Vektors

\vec{a} = (\begin{matrix} a_{1} \\ a_{2} \\ a_{3} \end{matrix})

ist gegeben durch:

| \vec{a} | = | (\begin{matrix} a_{1} \\ a_{2} \\ a_{3} \end{matrix}) | = \sqrt{{(\begin{matrix} a_{1} \\ a_{2} \\ a_{3} \end{matrix})}^{2}} = \sqrt{a_{1}^{2} + a_{2}^{2} + a_{3}^{2}}

Für den Richtungsvektor der

x_{1} x_{2}

-Ebene

\vec{n_{E}} = (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix})

gilt z.B:

| \vec{n_{E}} | = \sqrt{0^{2} + 0^{2} + 1^{2}} = 1

\cos φ = \frac{0 + 0 + 5}{\sqrt{3^{2} + (- 1)^{2} + 5^{2}} \cdot 1} = \frac{5}{\sqrt{35}}

\Rightarrow

φ = \cos^{- 1} (\frac{5}{\sqrt{35}}) \approx 32, 31^{\circ}

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Themen dieser Aufgabe:

Winkel zwischen zwei Ebenen

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