Aufgaben mit zwei Kugeln
Hier findest du Aufgaben zu Kugeln. Lerne, die gegenseitige Lagebeziehung zwischen Kugeln zu untersuchen!
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Gegeben sind zwei Kugeln mit und und mit und .
Zeige, dass die beiden Kugeln und sich schneiden.
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kugelgleichung
Lagebeziehung der beiden Kugeln
Gegeben sind die beiden Kugelradien: und
Berechne:
Zu 2. Berechne den Vektor
Berechne
Setze die berechneten Werte in die Schnittpunktsbedingung ein:
Antwort: Die Schnittpunktsbedingung ist erfüllt, d.h. die beiden Kugeln schneiden sich.
Hast du eine Frage oder Feedback?
Ist der Betrag der Differenz der beiden Kugelradien kleiner als der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte und dieser Abstand wiederum kleiner als die Summe der beiden Kugelradien, dann schneiden sich die beiden Kugeln.
Schnittpunktsbedingung:
Bestimme eine Gleichung der Schnittebene .
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Kugelgleichung
Aufstellen der Kugelgleichungen
Kugel :
,
Setze und in ein.
↓ ↓ Vereinfache.
↓ Fasse zusammen.
↓ Rechne das Skalarprodukt aus.
↓ Vergiss nicht die binomische Formel anzuwenden.
↓ Fasse die linke Seite zusammen.
Antwort: Die Gleichung der Kugel lautet:
Kugel :
,
Setze und in ein.
↓ ↓ Vereinfache.
↓ Fasse zusammen.
↓ Rechne das Skalarprodukt aus.
↓ Vergiss nicht die binomische Formel anzuwenden.
↓ Fasse die linke Seite zusammen.
Antwort: Die Gleichung der Kugel lautet:
Schnitt der beiden Kugeln berechnen
Die Kugel entspricht Gleichung und die Kugel entspricht Gleichung . Es handelt sich hier um ein Gleichungssystem mit 2 Gleichungen und 3 Variablen.
Berechne die Differenz der beiden Gleichungen.
Antwort: Die Gleichung der Schnittebene lautet .
Die nebenstehende Abbildung ist nicht verlangt worden.
Sie dient nur der Veranschaulichung.
Dargestellt sind die Kugeln mit Mittelpunkt und mit Mittelpunkt .
Die Kugeln schneiden sich in einem Schnittkreis (rot), der den Mittelpunkt und den Radius hat. Der Schnittkreis liegt in der Schnittebene .
Hast du eine Frage oder Feedback?
Erstelle von beiden Kugeln die Vektorgleichung und wandle sie in eine Koordinatendarstellung um. Die Differenz der beiden Kugelgleichungen liefert die Gleichung der gesuchten Schnittebene .
Berechne den Mittelpunkt des Schnittkreises der beiden Kugeln und den Schnittkreisradius .
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Gegenseitige Lage zweier Kugeln
Berechnung des Mittelpunkt
Stelle die Gleichung der Lotgeraden durch den Mittelpunkt auf die Ebene auf.
Verwende als Aufpunkt den Mittelpunkt und als Richtungsvektor den Normalenvektor der Ebene :
oder
Berechne den Mittelpunkt , indem du die Lotgerade mit der Ebene schneidest:
↓ ↓ Setze ,, in ein.
↓ Löse die Klammern auf.
↓ Fasse zusammen.
↓ Löse nach auf.
Zur Berechnung des Mittelpunktes setzt du in die Gleichung der Lotgeraden ein.
Antwort: Der Mittelpunkt hat die Koordinaten .
Berechnung des Schnittkreisradius
In der Abbildung ist nur die Kugel dargestellt.
Den Schnittkreisradius kannst du mithilfe des Satzes von Pythagoras berechnen. Der Abstand der Ebene vom Mittelpunkt ist der Betrag des Vektors und der Kugelradius von ist .
Berechne zuerst den Vektor und dann dessen Betrag.
↓ Nach auflösen.
↓ Setze und ein.
↓ Berechne die Quadrate.
↓ Vereinfache.
Antwort: Der Radius des Schnittkreises beträgt .
Hast du eine Frage oder Feedback?
Mittelpunkt
Erstelle die Gleichung der Lotgeraden durch den Mittelpunkt auf die Ebene .
Verwende als Aufpunkt den Mittelpunkt und als Richtungsvektor den Normalenvektor der Ebene . Schneide die Lotgerade mit der Ebene und du erhältst als Lösung einen Wert für den Geradenparameter. Diesen Wert setzt du in die Gleichung der Lotgeraden ein, um die Koordinaten des Mittelpunktes zu erhalten.
Schnittkreisradius
Den Schnittkreisradius kannst du mithilfe des Satzes von Pythagoras berechnen. Der Abstand der Ebene vom Mittelpunkt ist der Betrag des Vektors . Berechne . Der Kugelradius der ersten Kugel ist gegeben. Dann gilt:
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Gegeben sind die Kugeln und
Zeige, dass sich die beiden Kugeln außen in einem Punkt berühren und gib seine Koordinaten an. Bestimme auch die Tangentialebene der beiden Kugeln.
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Tangentialebene
Kugeln berühren sich
Berechne den Vektor und dann seinen Betrag .
und
Der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte beträgt und die Summe der beiden Kugelradien beträgt auch .
Die beiden Kugeln berühren sich außen.
Berechnung von
Aus der nebenstehenden Abbildung kannst du folgende Vektorgleichung ablesen:
Dabei ist
Dabei ist , und .
Antwort: Der Berührpunkt hat die Koordinaten .
Berechnung von
Mit Hilfe des berechneten Einheitsvektors und einem Punkt der Ebene (hier der Berührpunkt ) kann die Gleichung der Tangentialebene erstellt werden. Bei Verwendung von erhältst du die Hessesche Normalenform der Ebene bzw. nach Berechnung des Skalarproduktes eine Koordinatenform.
↓ Setze und ein.
↓ Das ist die Hessesche Normalenform der Tangentialebene.
↓ Umwandlung in die Koordinatenform.
↓ Berechne das Skalarprodukt.
↓ Löse die Klammern auf.
↓ Vereinfache.
↓ Vereinfache.
Antwort: Die Hessesche Koordinatenform der Tangentialebene lautet: bzw. Tangentialebene als Koordinatengleichung:
Wenn zwei Kugeln sich außen berühren sollen, dann muss der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte gleich der Summe der beiden Kugelradien sein.
Zur Berechnung des Berührpunktes erstellst du eine Vektorgleichung mit .
Für die Berechnung der Tangentialebene benutze den Vektor und einen Punkt der Ebene (hier den Berührpunkt ).
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Gegeben sind die Kugeln und
Zeige, dass sich die beiden Kugeln innen in einem Punkt berühren und gib seine Koordinaten an. Bestimme auch die Tangentialebene der beiden Kugeln.
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Tangentialebene
Kugeln berühren sich
Berechne den Vektor und dann seinen Betrag .
und
Der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte beträgt und die Differenz der beiden Kugelradien beträgt auch .
Die beiden Kugeln berühren sich innen.
Berechnung von
Aus der nebenstehenden Abbildung kannst du folgende Vektorgleichung ablesen:
Dabei ist
Dabei ist , und .
Antwort: Der Berührpunkt hat die Koordinaten .
Berechnung von
Mit dem eben berechneten Einheitsvektor und dem Berührpunkt , der ein Punkt der Ebene ist, kann die Gleichung der Tangentialebene erstellt werden.
Hinweis: Bei Verwendung des Einheitsvektors erhält man die Hessesche Normalenform der Ebene bzw. nach Berechnung des Skalarproduktes eine Koordinatenform.
↓ Setze und ein.
↓ Das ist die Hessesche Normalenform der Ebene.
↓ Für die Umwandlung in die Koordinatenform berechne das Skalarprodukt.
↓ Löse die Klammern auf.
↓ Fasse zusammen.
↓ Vereinfache.
Antwort: Die Hessesche Koordinatenform der Tangentialebene lautet: oder nur als Koordinatenform .
Wenn zwei Kugeln sich innen berühren sollen, dann muss der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte gleich dem Betrag der Differenz der beiden Kugelradien sein.
Zur Berechnung des Berührpunktes erstellst du eine Vektorgleichung mit . ist ein Einheitsvektor.
Für die Berechnung der Tangentialebene benutze den Vektor und den berechneten Berührpunkt .
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Welche Kugeln um den Mittelpunkt berühren die Kugel
?
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Gegenseitige Lage von zwei Kugeln
Bei dieser Aufgabe gibt es zwei mögliche Lösungen.
Die beiden Kugeln können sich außen berühren (Fall 1) oder sie können sich innen berühren (Fall 2).
Fall 1: Bei einem äußeren Berührpunkt muss der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte gleich der Summe der beiden Kugelradien sein:
Berechne zunächst den Vektor und dann seinen Betrag.
Gegeben ist der Kugelradius: gesucht ist .
Antwort: Die Kugel hat einen Radius von und die Kugelgleichung lautet:
Fall 2: Bei einem inneren Berührpunkt muss der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte gleich dem Betrag der Differenz der beiden Kugelradien sein:
Der Abstand der beiden Kugelmittelpunkte wurde schon beim Fall 1 berechnet. Es muss also sein.
Der Radius
Fall +
; Diese Lösung entfällt wegen .
Fall -
Antwort: Die Kugel hat einen Radius von und die Kugelgleichung lautet:
Die beiden Kugeln und berühren die Kugel .
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Zwei Kugeln berühren sich außen in Punkt . Die Kugelradien sind und . Die Verbindungsgerade der beiden Kugelmittelpunkte und hat den Richtungsvektor . Bestimme die Kugelgleichungen.
Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Zwei Kugeln mit gemeinsamen äußeren Berührpunkt
Die beiden sich außen berührenden Kugeln können auf zwei verschiedene Arten angeordnet sein.
Fall 1: Die größere Kugel liegt rechts von der kleineren Kugel.
Fall 2: Die größere Kugel liegt links von der kleineren Kugel.
Lösung für den Fall 1
Die Berechnung der beiden Kugelmittelpunkte erfolgt mit Hilfe einer Vektorgleichung.
Der Abbildung kannst du folgende Vektorgleichungen entnehmen.
und
Dabei ist der Vektor gegeben. Die beiden Vektoren bzw. müssen berechnet werden.
Berechnung von für Kugel
Aus dem gegebenen Richtungsvektor erstellst du einen Einheitsvektor . Dazu muss der Betrag von berechnet werden:
Für den Vektor gilt mit dem berechneten Einheitsvektor und :
Berechnung von
Der Mittelpunkt der Kugel hat die Koordinaten:
.
Berechnung von für Kugel
Für den Vektor gilt mit dem oben berechneten Einheitsvektor und :
Berechnung von
Der Mittelpunkt der Kugel hat die Koordinaten:
.
Antwort: Damit können die beiden Kugelgleichungen angegeben werden:
und
Lösung für den Fall 2
Der Abbildung kannst du folgende Vektorgleichungen entnehmen.
und
Dabei ist der Vektor gegeben. Die beiden Vektoren bzw. müssen berechnet werden.
Berechnung von für Kugel
Für den Vektor gilt mit dem oben berechneten Einheitsvektor und :
Berechnung von
Der Mittelpunkt der Kugel hat die Koordinaten:
.
Berechnung von für Kugel
Für den Vektor gilt mit dem oben berechneten Einheitsvektor und :
Berechnung von
Der Mittelpunkt der Kugel hat die Koordinaten:
.
Antwort: Damit können die beiden Kugelgleichungen angegeben werden
und
Die beiden sich außen berührenden Kugeln können auf zwei verschiedene Arten angeordnet werden, d.h. es gibt insgesamt vier Kugelgleichungen zu bestimmen.
Die Berechnung der beiden Kugelmittelpunkte erfolgt mit Hilfe einer Vektorgleichung.
und
Dabei ist der Vektor gegeben und die beiden Vektoren bzw. müssen berechnet werden.
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