Speichersee: der volle Monat
AFB IEin Speichersee wird das ganze Jahr über beobachtet. Material M1 zeigt den Füllstand \(W\) in Prozent in Abhängigkeit von der Zeit \(t\) in Monaten. Ein Techniker möchte den Graphen von \(W'\) skizzieren.
- Geben Sie an, welche Eigenschaft der Graph von \(W\) an einer Nullstelle von \(W'\) hat.
- Bestimmen Sie die Stelle \(t\), an der der Graph von \(W'\) die \(t\)-Achse schneidet.
- Begründen Sie, auf welcher Seite dieser Stelle der Graph von \(W'\) oberhalb und auf welcher er unterhalb der \(t\)-Achse verläuft.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Dort hat der Graph von \(W\) eine waagerechte Tangente, seine Steigung ist also null.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Hochpunkt liegt bei \(t=6\) mit \(W(6)=90\;\%\). Dort ist die Tangente waagerecht, also \(W'(6)=0\). Der Graph von \(W'\) schneidet die \(t\)-Achse bei \(t=6\) (Monate).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Links von \(t=6\) steigt \(W\), die Tangentensteigungen sind dort positiv — der Graph von \(W'\) verläuft oberhalb der Achse. Rechts von \(t=6\) fällt \(W\), die Steigungen sind negativ — dort liegt \(W'\) unterhalb der Achse.
Heißluftballon: der steilste Moment
AFB IIEin Heißluftballon startet aus \(20\ \text{m}\) Höhe. Material M1 zeigt seine Flughöhe \(h\) in Metern nach \(t\) Minuten. Im Wendepunkt \(W(5 \mid 65)\) steigt er am schnellsten; dort ist die Tangente mit ihrem Steigungsdreieck eingezeichnet.
- Entnehmen Sie dem Steigungsdreieck in M1 die Werte \(\Delta t\) und \(\Delta h\).
- Berechnen Sie die Steiggeschwindigkeit \(h'(5)\) in \(\tfrac{\text{m}}{\text{min}}\).
- Erläutern Sie, warum der Wendepunkt von \(h\) zum Hochpunkt des Graphen von \(h'\) wird.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\Delta t = 4\ \text{min}\) (von \(t=3\) bis \(t=7\)) und \(\Delta h = 46\ \text{m}\) (von \(42\ \text{m}\) bis \(88\ \text{m}\)).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \(h'(5)=\dfrac{\Delta h}{\Delta t}\). Rechnung: \(h'(5)=\dfrac{46\ \text{m}}{4\ \text{min}}=11{,}5\). Ergebnis: \(11{,}5\ \tfrac{\text{m}}{\text{min}}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Im Wendepunkt ist die Kurve von \(h\) am steilsten: Vorher nehmen die Tangentensteigungen zu, danach wieder ab. Da genau diese Steigungen die Funktionswerte von \(h'\) sind, erreicht \(h'\) dort seinen größten Wert — der Wendepunkt von \(h\) ist der Hochpunkt von \(h'\).
Autofahrt: Tacho aus dem Diagramm
AFB IIMaterial M1 zeigt als Weg-Zeit-Diagramm, wie viele Kilometer ein Auto nach \(t\) Stunden zurückgelegt hat. Nach drei Stunden sind es \(180\ \text{km}\); im Punkt \(P(3 \mid 180)\) ist die Tangente mit ihrem Steigungsdreieck eingezeichnet.
- Entnehmen Sie dem Steigungsdreieck die Werte \(\Delta t\) und \(\Delta s\).
- Berechnen Sie die Momentangeschwindigkeit \(s'(3)\) in \(\tfrac{\text{km}}{\text{h}}\).
- Begründen Sie, was es für den Graphen von \(s'\) bedeutet, dass die Kurve von \(s\) nach rechts immer steiler wird.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\Delta t = 2\ \text{h}\) (von \(t=2\) bis \(t=4\)) und \(\Delta s = 180\ \text{km}\) (von \(90\ \text{km}\) bis \(270\ \text{km}\)).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \(s'(3)=\dfrac{\Delta s}{\Delta t}\). Rechnung: \(s'(3)=\dfrac{180\ \text{km}}{2\ \text{h}}=90\). Ergebnis: Der Tacho zeigt in diesem Moment \(90\ \tfrac{\text{km}}{\text{h}}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Immer steiler heißt: Die Tangentensteigungen werden von links nach rechts größer. Diese Steigungen sind die Funktionswerte von \(s'\) — der Graph von \(s'\) steigt also. Das Auto wird schneller.
Bergwanderung: wie steil ist es gerade?
AFB IIMaterial M1 zeigt das Höhenprofil einer Wanderung: die Höhe \(h\) über NN in Metern nach \(x\) Kilometern Wegstrecke. Nach \(4\ \text{km}\) befindet sich die Gruppe auf \(620\ \text{m}\); dort ist die Tangente eingezeichnet. Der Gipfel liegt bei \(x=8\).
- Entnehmen Sie dem Steigungsdreieck die Werte \(\Delta x\) und \(\Delta h\).
- Berechnen Sie \(h'(4)\) in \(\tfrac{\text{m}}{\text{km}}\) und geben Sie die Steigung zusätzlich in Prozent an.
- Begründen Sie, warum der Graph von \(h'\) bei \(x=8\) eine Nullstelle hat.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\Delta x = 2\ \text{km}\) (von \(x=3\) bis \(x=5\)) und \(\Delta h = 240\ \text{m}\) (von \(500\ \text{m}\) bis \(740\ \text{m}\)).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \(h'(4)=\dfrac{\Delta h}{\Delta x}\). Rechnung: \(h'(4)=\dfrac{240\ \text{m}}{2\ \text{km}}=120\). Ergebnis: \(120\ \tfrac{\text{m}}{\text{km}}\), das entspricht \(12\;\%\) Steigung. Der Wert ist positiv, weil der Weg dort bergauf führt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Am Gipfel bei \(x=8\) geht der Anstieg in den Abstieg über; der Graph von \(h\) hat dort einen Hochpunkt mit waagerechter Tangente, also \(h'(8)=0\). Der Graph von \(h'\) schneidet dort die \(x\)-Achse — am Gipfel wird der Weg flach.
Rückhaltebecken: wann ist am meisten Wasser drin?
AFB IIINach einem Gewitter fließt Wasser in ein Rückhaltebecken hinein und gleichzeitig durch einen Auslauf wieder heraus. Material M1 zeigt nicht die Wassermenge \(V\), sondern deren Änderungsrate \(V'\) in Kubikmetern je Stunde.
- Erläutern Sie, was positive und was negative Werte von \(V'\) für die Wassermenge im Becken bedeuten.
- Bestimmen Sie den Zeitpunkt \(t\), zu dem sich am meisten Wasser im Becken befindet.
- Begründen Sie, warum der höchste Punkt des abgebildeten Graphen nicht die gesuchte Stelle ist.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Solange \(V'\) oberhalb der \(t\)-Achse liegt, ist der Zufluss größer als der Abfluss: Die Wassermenge \(V\) wächst. Liegt \(V'\) unterhalb der Achse, überwiegt der Abfluss und \(V\) nimmt ab.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bei \(t=5\) wechselt \(V'\) von positiven zu negativen Werten. Bis dahin füllt sich das Becken, danach leert es sich. Die Wassermenge ist also bei \(t=5\ \text{h}\) am größten — der Graph von \(V\) hat dort einen Hochpunkt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der höchste Punkt des abgebildeten Graphen liegt bei \(t=0\); dort ist \(V'\) am größten, das Becken füllt sich also am schnellsten. Ein großes Tempo bedeutet aber nicht viel Wasser — die Menge wächst danach ja weiter. Für \(V\) ist \(t=0\) lediglich der Wendepunkt.
Kaffee: die Abkühlrate mit Vorzeichen
AFB IIIEin Kaffee kühlt ab. Material M1 zeigt seine Temperatur \(T\) in \(^\circ\text{C}\) nach \(t\) Minuten; eingezeichnet sind eine Sekante und die Tangente im Punkt \(P(10 \mid 77)\).
- Begründen Sie, warum für die momentane Änderungsrate die Tangente und nicht die Sekante herangezogen wird.
- Entnehmen Sie dem Steigungsdreieck an der Tangente die Werte \(\Delta t\) und \(\Delta T\).
- Berechnen Sie \(T'(10)\) in \(\tfrac{^\circ\text{C}}{\text{min}}\) — mit dem richtigen Vorzeichen — und deuten Sie das Ergebnis.
Hinweis zu Aufgabe a)
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Sekante mittelt über \(25\) Minuten hinweg und liefert damit die durchschnittliche Änderungsrate. Gefragt ist aber, wie schnell der Kaffee genau bei \(t=10\) abkühlt — und diese momentane Rate ist die Steigung der Tangente in \(P\).
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\Delta t = 10\ \text{min}\) (von \(t=5\) bis \(t=15\)); die Temperatur fällt dabei von \(83\ ^\circ\text{C}\) auf \(71\ ^\circ\text{C}\), also \(\Delta T = -12\ ^\circ\text{C}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ansatz: \(T'(10)=\dfrac{\Delta T}{\Delta t}=\dfrac{-12\ ^\circ\text{C}}{10\ \text{min}}=-1{,}2\), also \(-1{,}2\ \tfrac{^\circ\text{C}}{\text{min}}\). Deutung: Bei \(t=10\) kühlt der Kaffee um 1,2 Grad pro Minute ab; das Minuszeichen sagt, dass die Temperatur sinkt. Weil die Kurve nach rechts immer flacher wird, liegt der ganze Graph von \(T'\) unterhalb der \(t\)-Achse und steigt dabei auf die Achse zu.
