Ein Zug fährt an
AFB I–IIEin Regionalzug fährt aus einem Bahnhof an. Seine Geschwindigkeit in den ersten 20 Sekunden wird modellhaft beschrieben durch \(v(t)=2t-0{,}05t^2\) mit \(t\) in Sekunden und \(v(t)\) in Metern pro Sekunde, \(0\le t\le 20\).
- Geben Sie die Geschwindigkeit des Zuges nach 10 Sekunden in m/s und in km/h an.
- Berechnen Sie die Strecke, die der Zug in den ersten 20 Sekunden zurücklegt.
- Interpretieren Sie den Wert \(\frac{1}{20}\int_0^{20}v(t)\,dt\) im Sachzusammenhang.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(v(10)=20-5=15\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}=54\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(s=\int_0^{20}(2t-0{,}05t^2)\,dt=\left[t^2-\tfrac{1}{60}t^3\right]_0^{20}=400-\tfrac{8000}{60}\approx 266{,}7\,\text{m}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\tfrac{266{,}7}{20}\approx 13{,}3\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}\) ist die Durchschnittsgeschwindigkeit in den ersten 20 s: Mit konstant 13,3 m/s würde der Zug in derselben Zeit dieselbe Strecke zurücklegen.
Schneeschmelze im Speichersee
AFB II–IIIWährend der Schneeschmelze fließt Wasser in einen Speichersee. Die Zuflussrate wird für die ersten 30 Tage beschrieben durch \(z(t)=-0{,}006t^2+0{,}18t\) mit \(t\) in Tagen und \(z(t)\) in Millionen m³ pro Tag. Gleichzeitig wird über das Kraftwerk konstant 0,8 Mio. m³ pro Tag abgelassen.
Zu Beginn (\(t=0\)) enthält der See 20 Mio. m³ Wasser. Aus Gründen des Hochwasserschutzes darf der Inhalt 25 Mio. m³ nicht überschreiten.
- Ermitteln Sie den Zeitraum, in dem die Wassermenge im See zunimmt.
- Stellen Sie einen Term für die Wassermenge \(W(t)\) im See auf und berechnen Sie die Wassermenge nach 30 Tagen.
- Beurteilen Sie, ob die Vorgabe des Hochwasserschutzes im betrachteten Zeitraum eingehalten wird, wenn das Kraftwerk den Abfluss nicht verändert.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(-0{,}006t^2+0{,}18t=0{,}8\Leftrightarrow t^2-30t+133{,}\overline{3}=0\Rightarrow t_1\approx 5{,}4;\ t_2\approx 24{,}6\).
Zwischen etwa Tag 5,4 und Tag 24,6 gilt \(z(t)>0{,}8\): In diesem Zeitraum nimmt die Wassermenge zu.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(W(t)=20+\int_0^t (z(x)-0{,}8)\,dx=20-0{,}002t^3+0{,}09t^2-0{,}8t\).
\(W(30)=20-54+81-24=23\): Nach 30 Tagen enthält der See 23 Mio. m³.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Maximum bei \(t_2\approx 24{,}6\) (Vorzeichenwechsel von \(z-0{,}8\) von + nach −): \(W(24{,}6)\approx 25{,}01\) Mio. m³. Randwerte \(W(0)=20\), \(W(30)=23\) sind kleiner.
Die Grenze wird rechnerisch um etwa 0,01 Mio. m³ (10 000 m³) überschritten. Das liegt innerhalb der Modellungenauigkeit, formal ist die Vorgabe aber verletzt. Sinnvolles Urteil: Der Betreiber sollte den Abfluss um Tag 20 bis 25 leicht erhöhen. Bewertet wird die begründete Entscheidung, nicht ein bestimmtes Urteil.
