Querschnitt eines Kanals
AFB I–IIEin Bewässerungskanal hat einen parabelförmigen Querschnitt. Er ist an der Oberkante 8 m breit und in der Mitte 2 m tief. Im Koordinatensystem (1 LE = 1 m) liegt die Oberkante auf der x-Achse und der tiefste Punkt auf der y-Achse.
- Bestimmen Sie eine Gleichung der Parabel, die den Querschnitt beschreibt.
- Berechnen Sie die Breite des Wasserspiegels, wenn das Wasser 1,5 m tief steht.
- Weisen Sie nach, dass die Böschung an der Oberkante unter einem Winkel von 45° gegen die Horizontale ansteigt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ansatz wegen Achsensymmetrie: \(f(x)=ax^2+c\). Tiefster Punkt \((0\mid -2)\): \(c=-2\). Randpunkt \((4\mid 0)\): \(16a-2=0\Rightarrow a=0{,}125\).
\(f(x)=0{,}125x^2-2\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(0{,}125x^2-2=-0{,}5\Rightarrow x^2=12\Rightarrow x=\pm\sqrt{12}\approx\pm 3{,}46\).
Breite: \(2\sqrt{12}\approx 6{,}93\,\text{m}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(f'(x)=0{,}25x\), also \(f'(4)=1\). Mit \(\tan\alpha=1\) folgt \(\alpha=45^\circ\). Aus Symmetriegründen gilt dasselbe am linken Rand.
Die Decke eines Straßentunnels
AFB II–IIIEin Straßentunnel ist am Boden 10 m breit und in der Mitte 6 m hoch. Eine Vermessung ergibt: 4 m von der Mitte entfernt ist die Decke noch 3,6 m hoch. Die Deckenlinie soll durch eine ganzrationale Funktion vierten Grades beschrieben werden, deren Graph symmetrisch zur y-Achse ist (Fahrbahnmitte bei x = 0, 1 LE = 1 m).
Nach Vorschrift muss zwischen einem Fahrzeug und der Tunneldecke überall mindestens 0,5 m Luft bleiben. Ein Lkw ist 4 m hoch und 2,55 m breit; er fährt auf der rechten Fahrspur, deren innerer Rand 0,5 m rechts der Mitte liegt.
- Ermitteln Sie eine Gleichung der Funktion f, die die Deckenlinie beschreibt.
- Untersuchen Sie, ob die Tunneldecke in der Mitte ihren höchsten Punkt hat.
- Beurteilen Sie, ob der Lkw den Tunnel vorschriftsgemäß durchfahren kann, und geben Sie an, wie weit er höchstens nach rechts ausweichen darf.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Bedingungen: \(f(0)=6\), \(f(5)=0\), \(f(4)=3{,}6\).
\(c=6\); \(625a+25b=-6\); \(256a+16b=-2{,}4\).
GTR/CAS: \(a=-0{,}01\), \(b=0{,}01\), also \(f(x)=-0{,}01x^4+0{,}01x^2+6\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(f'(x)=-0{,}04x^3+0{,}02x=-0{,}02x(2x^2-1)\); Nullstellen \(x=0\) und \(x=\pm\sqrt{0{,}5}\approx\pm 0{,}71\).
\(f''(0)=0{,}02>0\): Bei \(x=0\) liegt ein Tiefpunkt. Hochpunkte bei \(x\approx\pm0{,}71\) mit \(f\approx 6{,}0025\).
Die Decke ist also minimal (2,5 mm) nach unten gewölbt; praktisch ist das bedeutungslos, mathematisch liegt der höchste Punkt nicht in der Mitte.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Äußere Kante bei \(x=0{,}5+2{,}55=3{,}05\): \(f(3{,}05)\approx 5{,}23\ge 4{,}5\). Die Durchfahrt ist erlaubt.
\(f(x)=4{,}5\Leftrightarrow x^4-x^2-150=0\Rightarrow x^2=\tfrac{1+\sqrt{601}}{2}\approx12{,}76\Rightarrow x\approx3{,}57\).
Die rechte Lkw-Kante darf höchstens bei 3,57 m liegen, der Lkw also rund 0,5 m nach rechts ausweichen. Vollständig ist die Antwort mit Urteil und Begründung am Modell (Deckenlinie ist nur eine Näherung).
