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| {{Box|Info|In diesem Lernpfad geht es darum, dein Wissen im Bereich '''quadratischer Funktionen''' zu vertiefen.<br /><br />
| | Diese Seite kann als Einstieg in eine Unterrichtsreihe zur Optik genutzt werden. |
| Dazu werden dir Informationen und Aufgaben zur '''Scheitelpunktform''', der '''Umwandlung zwischen Scheitelpunktform und Normalform''' sowie zur Berechnung von '''Nullstellen''' bereitgestellt. Zusätzlich erwarten dich zwei '''Anwendungsaufgaben''', in welchen du die zuvor gelernten Inhalte testen kannst.<br /><br />
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| In diesem Lernpfad findest du Aufgaben mit einem *. Bei diesen handelt es sich um Forderaufgaben. Aufgaben mit ** sind anspruchsvolle Knobelaufgaben. Hat eine Aufgabe kein *, dann ist die Aufgabe zur Wiederholung und Vertiefung der Inhalte geeignet.
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| |Kurzinfo
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| ===Scheitelpunktform=== | | == Licht und Lichtausbreitung == |
| | === Was stellen wir uns unter Licht vor?=== |
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| {{Box|1. Die Scheitelpunktform|Fülle den folgenden Lückentext aus, indem du die passenden Silben einfügst.|Arbeitsmethode}} | | {{Idee| |
| | :Brainstorming, Antworten der Schüler sammeln und an die Tafel schreiben. |
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| <div class="lueckentext-quiz">
| | '''Zentralfrage:''' „Können wir Licht sehen“?}} |
| Wir schauen uns die Funktion <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math> an. Funktionen dieser Art heißen '''quadratische''' Funktionen. Der Graph einer solchen Funktion ist eine '''Parabel'''. Der höchste bzw. der tiefste Punkt eines solchen Funktionsgraphen heißt '''Scheitelpunkt'''. Liegt die Funktionsgleichung in der Scheitelpunktform vor, wie es hier der Fall ist, dann kann der Scheitelpunkt <math>S</math> direkt aus der Funktionsgleichung abgelesen werden. Der Parameter <math>d</math> ist die '''<math>x</math>'''-Koordinate und der Parameter <math>e</math> ist die '''<math>y</math>'''-Koordinate des Scheitelpunkts. <math>\Rightarrow S(d|e)</math>. <br>
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| Ist der Parameter <math>a</math> kleiner als Null (<math>a<0</math>), dann ist der Graph der Funktion <math>g</math> nach '''unten''' geöffnet. <br>
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| Ist <math>a</math> größer als Null (<math>a>0</math>), dann ist der Graph von <math>g</math> nach '''oben''' geöffnet. <br>
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| Ist <math>a</math> größer als Eins (<math>a>1</math>) oder kleiner als minus Eins (<math>a<-1</math>), dann sieht der Graph von <math>g</math> '''schmaler''' aus. Man sagt, dass in diesem Fall der Graph '''gestreckt''' wird. <br>
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| Liegt <math>a</math> zwischen minus Eins und Eins (<math>-1<a<1</math>), dann sieht der Graph von <math>g</math> '''breiter''' aus. Man sagt, dass in diesem Fall der Graph '''gestaucht''' wird. <br>
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| Ist <math>d</math> größer als Null (<math>d>0</math>), dann wird der Graph von <math>g</math> nach '''rechts''' verschoben. <br>
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| Ist <math>d</math> kleiner als Null (<math>d<0</math>), dann wird der Graph von <math>g</math> nach '''links''' verschoben.<br>
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| Ist <math>e</math> kleiner als Null (<math>e<0</math>), dann wird der Graph von <math>g</math> nach '''unten''' verschoben. <br>
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| Ist <math>e</math> größer als Null (<math>e>0</math>), dann wird der Graph von <math>g</math> nach '''oben''' verschoben.
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| </div>
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| {{Box|Entdecke | | {{Box|Versuch|Eine Glühlampe in einem Gehäuse strahlt die Wand an. Es entsteht ein Lichtkreis.|Experimentieren}} |
| |Hier kannst du den Einfluss der einzelnen Parameter der Scheitelpunktform <math> a, d, e </math> auf den Funktionsgraphen erkunden. Bewege dafür jeweils die Schieberegler und beobachte wie sich der Graph von <math> f </math> verändert. | |
| <ggb_applet id="et3ybhbp" width="1280" height="604" border="888888" />
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| |Unterrichtsidee}} | |
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| {{Box|2.'''WANTED! Welche Punkte gehören nicht zu der Funktion f?'''| | | {{Versuch|Vor dem Lichtfleck an der Wand stellen wir einen innen geschwärzten Pappkasten. Der Raum versinkt in Dunkelheit.|Experimentieren}} |
| Gegeben seien die Funktion <math>f(x)=\frac{1}{2} \cdot (x-2)^2-2</math> und die Punkte
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| <math>A=(4|0),</math>
| | {{Box|Versuch|Wir halten ein Buch in den Raum zwischen Lampe und Pappkasten. Das Buch ist sofort zu sehen.|Experimentieren}} |
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| <math>B=(0|2),</math>
| | {{Box|Versuch|In den Lichtkegel schütteln wir einen Lappen mit Kreidestaub aus. Der Weg, den das Licht nimmt, wird sichtbar. (Statt des Kreidestaubs kann auch mit einer Sprühflasche eine Tröpfchennebel in den Lichtweg gesprüht werden. Achtung: Eventuell wird dabei der Boden durch die Nässe rutschig.)|Experimentieren}} |
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| <math>C=(-\frac{1}{2}| \frac{9}{8}),</math>
| | {{Merke|:Licht selbst ist nur sichtbar, wenn es direkt auf die Netzhaut trifft. Gegenstände nehmen wir nur dann wahr, wenn sie Licht in unser Auge streuen. Genau genommen bleibt der Körper weiterhin unsichtbar, denn das, was wir sehen, ist nicht der Gegenstand, sondern das durch ihn gestreute Licht, welches auf unsere Netzhaut trifft und eine biochemische Reaktion auslöst. |
| | }} |
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| <math>D=(\frac{7}{3}|\frac{20}{3})</math> und
| | === Lichtmodelle === |
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| <math>E=(2|-2)</math>.
| | {{Idee| |
| | Klärung des Begriffs „Modell“ in der Physik. |
| | Brainstorming zu Lichtvorstellungen (Erklärung für einen Blinden)}} |
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| '''a)''' Überprüfe rechnerisch, ob die Punkte <math>A, B, C, D</math> und <math>E</math> auf dem Graphen von <math>f</math> liegen.<br /><br />
| | {{Merke|:Licht stammt aus Lichtquellen (Sonne, Kerze, Lampe...). Man stellt sich vor, Licht besteht aus kleinen Teilchen, den Photonen. Diese werden aus den Lichtquellen mit hoher Geschwindigkeit herausgeschleudert. Das an uns vorbeiflutende Licht ist nicht sichtbar, da Licht auf Netzhaut treffen muss um eine biochemische Reaktion auszulösen. Wir sehen Körper nur dann, wenn sie Licht in unser Auge streuen. Genau genommen bleibt der Körper weiterhin unsichtbar, denn das was wir sehen ist nicht der Gegenstand, sondern das durch ihn gestreute Licht, welches auf unsere Netzhaut trifft und eine biochemische Reaktion auslöst. |
| | }} |
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| {{Lösung versteckt| 1= Du kannst einfach prüfen, ob ein Punkt auf dem Graphen liegt: Setze den <math>x</math>-Wert in die Funktionsgleichung ein und berechne den zugehörigen <math>y</math>-Wert| 2=Tipp | 3=schließen}}
| | == Primäre und sekundäre Lichtquellen == |
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| {{Lösung versteckt| 1= Die Punkte <math>A, C</math> und <math>E</math> liegen auf dem Graphen, die Punkte <math>B</math> und <math> D</math> nicht.| 2=Lösung | 3=schließen}}
| | '''Primäre Lichtquellen''' sind Körper, die Licht selbst aktiv aussenden (z.B. die Sonne). Körper, die erst beleuchtet werden müssen, damit sie Licht aussenden, sind '''sekundäre Lichtquellen''' (z.B. der Mond). |
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| '''b)''' Zeichne den Graphen der Funktion <math>f</math> und die Punkte <math>A-E</math> in dein Heft. Vergleiche anschließend die Ergebnisse aus a) mit deiner Zeichnung<br>
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| | == Lichtbündel, Lichtstrahl, Lichtgeschwindigkeit == |
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| {{Lösung versteckt| 1= Du hast Probleme beim Zeichnen des Graphen? Der Lückentext in Aufgabe 1 hilft dir weiter.| 2=Tipp 1 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Starte beim Zeichnen mit dem Scheitelpunkt, den du aus der Funktionsgleichung ablesen kannst. Auch hierbei kann dir Aufgabe 1 helfen. | 2=Tipp 2| 3=schließen}}
| | === Vom Lichtbündel zum Lichtstrahl === |
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| {{Lösung versteckt| 1= Beim Zeichnen des Funktionsgraphen gibt dir der Parameter <math>a</math> an, wie viele Einheiten du nach oben oder unten "gehen" musst, wenn du eine Einheit nach rechts oder links "gehst". |2=Tipp 3| 3=schließen}} | | {{Frage|Wie breitet sich das Licht aus?}} |
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| {{Lösung versteckt| 1= Wenn deine Zeichnung so aussieht, hast du alles richtig gemacht: [[Datei:Wanted.png|thumb|700 px |zentriert]]| 2=Lösung | 3=schließen}} | | {{Box|Versuch|:Eine offene Glühbirne wird eingeschaltet.|Experimentieren}} |
| |Arbeitsmethode}} | |
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| {{Box| 3. Welcher Graph hat mit welcher Funktionsgleichung ein Match?| | | {{Merke|:Licht breitet sich nach allen Seiten aus. |
| Ordne die folgenden Funktionsgleichungen den zugehörigen Graphen zu.
| | }} |
| Hinweis: Du kannst die Bilder der Funktionsgraphen vergrößern, indem du mit der Maus auf diese klickst.
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| {{LearningApp|app=p4hex53x219|width=100%|height=400px}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Betrachtet man die Funktionsgleichung <math>j(x)=a\cdot (x-d)^2+e </math>, so steht <math>d</math> für die Verschiebung in <math>x</math>-Richtung. Ist das Vorzeichen vor dem <math>d</math> dabei negativ, so verschiebt man den Graphen nach rechts und wenn es positiv ist nach links. Das <math>e</math> steht für die Verschiebung in <math>y</math>-Richtung nach oben, falls <math>e</math> positiv ist und nach unten wenn es negativ ist. | | {{Frage|Kann Licht um Ecken gehen, d.h. können Photonen auf geknickten oder gekrümmten Wegen verlaufen?}} |
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| | 2=Tipp 1 | 3=schließen}}
| | {{Box|Versuch|:Darstellung des Lichtkegels mittels Mattscheibe, sowie Loch- und Spaltblende. |
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| {{Lösung versteckt| 1= Betrachtet man die Funktionsgleichung <math>j(x)=a\cdot (x-d)^2+e </math>, so beschreibt <math>a</math> die Streckung (falls <math>a>1</math>) oder die Stauchung (falls <math>a<1</math>). Man geht vom Scheitelpunkt aus um eine Einheit nach links oder rechts und dann um <math>a</math> Einheiten nach oben (falls <math>a</math> negativ ist nach unten).
| | [[Bild:Opt_001.gif|center]] |
| | |Experimentieren}} |
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| Falls <math>a<1</math> ist, oder generell ein Bruch ist, kann dies manchmal schwierig sein, da sich zum Beispiel <math>\frac{2}{3}</math> nicht so einfach ablesen lässt. Hierfür kann man die Normalparabel <math>x^2</math> betrachten. Sinnvoll ist es nun den Nenner, also <math>3</math> einzusetzen. Somit erhält man <math>3^2=9</math>. Die erhaltene Zahl muss man nun mit dem Bruch multiplizieren <math>9*\frac{2}{3}=6</math>. Man geht nun vom Scheitelpunkt um die eingesetzte Zahl nach links oder rechts (<math>3</math>) und um die am Ende erhaltene Zahl nach oben (<math>6</math>), oder nach unten falls <math>a</math> negativ ist. (Wenn du hier noch Probleme hast scrolle hoch zum GeoGebra-Applet und verschiebe den Regler für <math>a</math>. Beobachte dabei wie sich der Graph verändert.)
| | Licht breitet sich geradlinig aus. Die Photonen bewegen sich auf Geraden. |
| | 2=Tipp 2 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Beispiele sind:
| | Wird ein Lichtkegel immer weiter eingeengt, so gelangen wir zu einem Lichtstrahl. Ein Lichtstrahl ist vorstellbar als die Bahn, auf der sich die Photonen bewegen. |
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| <math>f(x)=(x-3)^2+2</math> hat ihren Scheitelpunkt bei <math>(3| 2)</math>
| | === Wie groß ist die Lichtgeschwindigkeit? === |
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| <math>g(x)=(x+0)^2-4</math> hat ihren Scheitelpunkt bei <math>(0| -4)</math>
| | {{wpde|Galileo Galilei}} ging dieser Frage bereits vor 400 Jahren nach. |
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| | 2=Tipp 3 | 3=schließen}}
| | Er postierte zwei Leute mit Laternen auf verschiedenen Bergen. |
| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box| 4. Aus dem Graphen eine quadratische Funktion in Scheitelpunktform aufstellen|
| | Er erlangte keine zufriedenstellenden Ergebnisse. |
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| Stell die zugehörigen Funktionsgleichungen in Scheitelpunktform auf. Wähle im Anschluss die richtige Lösung aus (Du musst in der App runterscrollen).
| | Dem Franzosen {{wpde|Hippolyte Fizeau|Fizeau}} gelang 1849 die Messung der Lichtgeschwindigkeit mit einer sich drehenden Lochscheibe. |
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| {{LearningApp|width:100%|height:500px|app=pk7nd3faa19}}
| | [[Bild:Opt_002.gif|center]] |
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| {{Lösung versteckt| 1= Überlege dir zunächst, welche Parameter du brauchst um eine Funktionsgleichung in Scheitelpunktform aufzustellen. Falls du Aufgabe 1 schon bearbeitet hast, findest du dort nützliche Hinweise. Du kannst dir auch nochmal das GeoGebra-Applet (oben) anschauen und die Schieberegler bewegen um zu sehen wie sich der Graph und die Funktionsgleichung verändert.
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| | 2=Tipp 1 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Die Scheitelpunktform hat die Funktionsgleichung <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>. Für den Scheitelpunkt gilt: <math>S=(d|e)</math>. Wenn du also den Scheitelpunkt aus der Darstellung des Funktionsgraphen abliest und seine Koordinaten in die Funktionsgleichung einsetzt, musst du nur noch den Parameter <math>a</math> bestimmen. Achte beim Einsetzen von <math>d</math> in die Funktionsgleichung darauf, dass sich das Vorzeichen durch das Minus in der Klammer der Funktionsgleichung einmal umkehrt. | | {{Merke|:Licht breitet sich von einer Lichtquelle ausgehend nach allen Seiten aus, wenn es nicht behindert wird. Die Lichtteilchen (Photonen) bewegen sich dabei auf Geraden mit einer Geschwindigkeit von fast 300000 km/s. Durch Blenden kann man verschieden weite Lichtbündel herstellen. Die Form der Blende legt die Form des Lichtbündels fest. Sehr enge Lichtbündel nennt man Lichtstrahlen. Lichtstrahlen kann man als Photonenbahnen auffassen. Wie stark das Licht abgebremst wird hängt von der optischen Dichte des Mediums ab durch das es sich bewegt. Hier einige Beispiele: |
| | }} |
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| | 2=Tipp 2 | 3=schließen}} | | {| class="wikitable" |
| | |- |
| | ! Medium !! Lichtgeschwindigkeit !! Index |
| | |- |
| | | Vakuum || 299.792,485 km/s || 1 |
| | |- |
| | | Luft || 299.703 km/s|| 1,0003 |
| | |- |
| | | Wasser || 225.000 km/s|| 1,3333 |
| | |- |
| | | Kronglas || 198.000 km/s|| 1,515 |
| | |- |
| | | Diamant|| 124.000 km/s|| 2,417 |
| | |} |
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| {{Lösung versteckt| 1=Um den Parameter <math>a</math> zu bestimmen gibt es verschiedene Möglichkeiten.
| | ==Licht und Schatten== |
| | ===Wie entsteht Schatten?=== |
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| | {{Frage|Kann man über seinen eigenen Schatten springen?}} |
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| '''Möglichkeit 1:''' Du kannst einen beliebigen weiteren Punkt <math>(x|y)</math> aus dem Graphen ablesen und in die Funktionsgleichung einsetzen. Im Anschluss musst du nur noch die Gleichung nach <math>a</math> auflösen. Bei Bedarf kannst Du gerne dein Heft benutzen, um dir Rechenschritte zu notieren.
| | {{Box|Versuch|Eine Glühlampe beleuchtet einen undurchsichtigen Gegenstand. Mit einem Blatt Papier wird der Schattenraum ausgemessen. |
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| | [[Bild:Opt_003.gif|center]] |
| | |Experimentieren}} |
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| '''Möglichkeit 2:''' Alternativ kannst du den Parameter <math>a</math> auch direkt aus dem Graphen ablesen: Gehst du vom Scheitelpunkt aus um eine Einheit nach rechts, so entspricht <math>a</math> der Anzahl an Einheiten, die du nach oben (positives Vorzeichen) oder nach unten (negatives Vorzeichen) gehen musst, bis du wieder auf dem Graphen bist.
| | {{Merke|:Schatten entsteht an der lichtabgewandten Seite eines lichtundurchlässigen Körpers. Dort fehlt das Licht, das der Körper verschluckt.}} |
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| Falls <math>a<1</math> ist kann dies manchmal schwierig sein, da sich zum Beispiel <math>\frac{2}{3}</math> nicht so einfach ablesen lässt. Hierfür kann man die Normalparabel <math>x^2</math> betrachten. Sinnvoll ist es nun den Nenner, also <math>3</math> einzusetzen. Somit erhält man <math>3^2=9</math>. Die erhaltene Zahl muss man nun mit dem Bruch multiplizieren <math>9\cdot\frac{2}{3}=6</math>. Man geht nun vom Scheitelpunkt um die eingesetzte Zahl nach links oder rechts (<math>3</math>) und um die am Ende erhaltene Zahl nach oben (<math>6</math>), oder nach unten falls <math>a</math> negativ ist. (Wenn du hier noch Probleme hast scrolle hoch zum GeoGebra-Applet und verschiebe den Regler für <math>a</math>. Beobachte dabei wie sich der Graph verändert.)| 2=Tipp 3 | 3=schließen}}
| | {{Box|Versuch|Zwei Leuchten werden so aufgestellt, das zwei Schatten entstehen. Die Schatten sollen zusammenlaufen. |
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| |Arbeitsmethode}} | | [[Bild:Opt_004.gif|center]] |
| | |Experimentieren}} |
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| {{Box| 5. Funktionsgleichung gesucht!| | | {{Box|Versuch|Die Schattenbildung durch eine ausgedehnte Lichtquelle (Leuchtstoffröhre) wird gezeigt.|Experimentieren}} |
| Im folgenden sind je der Scheitelpunkt und ein weiterer Punkt einer Funktion gegeben. Stelle mit diesen Informationen die zugehörige Funktionsgleichung in Scheitelpunktform auf (im Heft).
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| '''a)''' Wie lautet die Funktionsgleichung zu den Punkten <math>S(2|1)</math> und <math>P(3|5)</math>? | | '''Ergebnis:''' Die Schattenabstufung verschwindet. |
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| '''b)''' Wie lautet die Funktionsgleichung zu den Punkten <math>S(-\frac{1}{3}|-2)</math> und <math>P(-3|0)</math>?
| | Eine schattenfreie Ausleuchtung erreicht man durch Milchglas, Lichtbänder, und weiße Zimmerdecken. |
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| '''c)''' Wie lautet die Funktionsgleichung zu den Punkten <math>S(3|2)</math> und <math>P(0|-\frac{5}{6})</math>?
| | {{Merke|:Hinter undurchsichtigen Körpern entsteht ein lichtfreier Raum, der Schattenraum. Auf einen Schirm, der in diesen Raum gebracht wird, entsteht eine Schattenfläche, der Schatten. Eine punktförmige Lichtquelle führt zu harten Schatten, mehrere zu Halb- und Kernschatten. Ausgedehnte Lichtquellen ergeben weiche Übergänge zwischen Licht und Schatten. Sie ermöglichen schattenfreie Beleuchtung. |
| | | }} |
| {{Lösung versteckt| 1= Die Scheitelpunktform hat die Funktionsgleichung <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>. Überlege dir, was die einzelnen Parameter beschreiben (schaue evtl. Aufgabe 1 nochmal an).
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| | 2=Tipp 1 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Für den Scheitelpunkt gilt: <math>S=(d|e)</math>. Wenn du also den Scheitelpunkt in die Funktionsgleichung einsetzt, musst du nur noch den Parameter <math>a</math> bestimmen. Achte beim Einsetzen von <math>d</math> in die Funktionsgleichung darauf, dass sich das Vorzeichen durch das Minus in der Klammer der Funktionsgleichung einmal umkehrt.
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| | 2=Tipp 2 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Um den Parameter <math>a</math> zu bestimmen musst du den Punkt <math>P</math> in die Funktionsgleichung einsetzen und nach <math>a</math> auflösen.
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| | 2=Tipp 3 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>
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| Setze <math>S(2|1)</math> ein: <math>g(x)=a\cdot(x-2)^2+1</math>
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| Setze <math>P(3|5)</math> ein: <math>5=a\cdot(3-2)^2+1 \leftrightarrow 5=a\cdot 1^2+1 \leftrightarrow 5=a\cdot 1+1 \leftrightarrow 4=a</math>
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| Somit ergibt sich: <math>g(x)=4\cdot(x-2)^2+1</math>
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| | 2=Lösung zu a) | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>
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| Setze <math>S(-\frac{1}{3}|-2)</math> ein: <math>g(x)=a\cdot(x+\frac{1}{3})^2-2</math>
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| Setze <math>P(-3|0)</math> ein: <math>0=a\cdot(-3+\frac{1}{3})^2-2 \leftrightarrow 0=a\cdot (-\frac{8}{3})^2-2 \leftrightarrow 0=a\cdot \frac{64}{9}-2 \leftrightarrow 2=\frac{64}{9}\cdot a \leftrightarrow \frac{9}{32}= a</math>
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| Somit ergibt sich: <math>g(x)=\frac{9}{32}\cdot(x+\frac{1}{3})^2-2</math>
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| | 2=Lösung zu b) | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>
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| Setze <math>S(3|2)</math> ein: <math>g(x)=a\cdot(x-3)^2+2</math>
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| Setze <math>P(0|-\frac{5}{6})</math> ein: <math>-\frac{5}{6}=a\cdot(0-3)^2+2 \leftrightarrow -\frac{5}{6}=a\cdot (-3)^2+2 \leftrightarrow -\frac{5}{6}=a\cdot 9+2 \leftrightarrow -\frac{17}{6}=9\cdot a \leftrightarrow -\frac{17}{54}=a</math>
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| Somit ergibt sich: <math>g(x)=-\frac{17}{54}\cdot(x-3)^2+2</math>
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| | 2=Lösung zu c) | 3=schließen}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box| 6. Anwendungsaufgabe für Zwischendurch: Flugbahn eines Steins|
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| <gallery>
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| Datei:Steindorf am Ossiacher See Sankt Urban Ossiacher See und Dobratsch 04112015 2185.jpg
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| </gallery>
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| Jonas wirft einen Stein vom Ufer in einen See. Die Flugbahn des Steins lässt sich mit der quadratischen Funktion <math>g(x)=-\frac{1}{10}\cdot(x-3)^2+\frac{5}{2}</math> beschreiben, wobei <math>x</math> die Entfernung des Steins vom Ufer und <math>g(x)</math> die Höhe des Steins (jeweils in Meter) beschreibt.
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| <br /><br />
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| '''a)''' Nach wie vielen Metern erreicht der Stein seinen höchsten Punkt?
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| {{Lösung versteckt| 1=Da die Funktion eine negative Steigung besitzt, erreicht der Stein seinen höchsten Punkt am Scheitelpunkt der Funktion. Da die Funktion in Scheitelpunktform angegeben ist, kannst du diesen direkt aus der Funktionsgleichung ablesen.| 2=Tipp | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Der Scheitelpunkt der Funktion ist <math>S=(3|\frac{5}{2})</math>. Der Stein erreicht seinen höchsten Punkt also nach <math>3</math> Metern. | 2=Lösung | 3=schließen}}
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| '''b)''' Zeichne die Flugbahn des Steins in dein Heft.
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| {{Lösung versteckt| 1= Zu Erinnerung: Eine quadratische Funktion in Scheitelpunktform hat die Form <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>. Um die Flugbahn zeichnen zu können, musst du die Parameter <math>a,d</math> und <math>e</math> der gegebenen Funktionsgleichung identifizieren.| 2=Tipp 1 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Zeichne zunächst den Scheitelpunkt <math>S=(d|e)</math> ein. Beim weiteren Zeichnen des Funktionsgraphen hilft dir der Parameter <math>a</math>. Da <math>a=-\frac{1}{10}<1</math> ist, ist dies etwas schwieriger. Hierfür kann man die Normalparabel <math>x^2</math> betrachten. | 2=Tipp 2 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Der Scheitelpunkt liegt bei <math>S=(3|\frac{5}{2})</math>. Für <math>a=-\frac{1}{10}</math> ist es sinnvoll den Nenner, also <math>10</math> in <math>x^2</math> einzusetzen. Somit erhält man <math>10^2=100</math>. Die erhaltene Zahl muss man nun mit dem Bruch multiplizieren <math>100\cdot(-\frac{1}{10})=-10</math>. Man geht nun vom Scheitelpunkt um die eingesetzte Zahl nach links oder rechts (<math>10</math>) und um die am Ende erhaltene Zahl nach unten (<math>10</math>), da die Zahl negativ war. Da somit die Zeichnung recht groß wird, kann man sich auch überlegen eine niedrigere Zahl in <math>x^2</math> einzusetzen. Dies sollte am besten ein Teiler vom Nenner sein, z.B. <math>5</math>. Das Vorgehen ist identisch: <math>5^2=25 \rightarrow 25\cdot (-\frac{1}{10})=-2,5</math>.
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| [[Datei:Steinwurf1.png|thumb|700 px |zentriert]] Beachte, dass die Flugbahn erst mit dem Abwurf des Steins beginnt und mit dem Auftreffen des Steins auf die Wasseroberfläche endet. Auf der <math>x</math>-Achse trägst du die Wurfweite in Meter ab, auf der <math>y</math>-Achse die Höhe des Steins in Meter. | 2=Lösung | 3=schließen}}
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| '''c)*''' In welcher Entfernung von Jonas taucht der Stein ins Wasser ein?
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| {{Lösung versteckt| 1= Um diesen Aufgabenteil zu lösen, musst du die Nullstellen der Funktion bestimmen (an einer dieser Nullstellen trifft der Stein auf das Wasser). Falls du dich dabei noch unsicher fühlst, bearbeite zuerst Aufgabe 9. Dort findest Du alle notwendigen Hilfestellungen. In jedem Fall solltest du für die Rechenschritte dein Heft benutzen. | 2=Tipp | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1=
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| Du musst zunächst die Nullstellen der Funktion <math>g(x)</math> bestimmen. An einer dieser Nullstellen trifft der Stein auf die Wasseroberfläche.
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| <br /><br />
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| <math>
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| \begin{array}{rlll}
| |
| && g(x) &&=&& 0 \\
| |
| &\Leftrightarrow& 0 &&=&& -\frac{1}{10}\cdot(x-3)^2+\frac{5}{2} &\mid \cdot(-10)\\
| |
| &\Leftrightarrow& 0 &&=&& (x-3)^2-25 &\mid +25 \\
| |
| &\Leftrightarrow& 25 &&=&& (x-3)^2 &\mid \sqrt{} \\
| |
| \end{array}
| |
| </math>
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| <br /><br />
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| <math>
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| \begin{array}{rlll}
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| &\Rightarrow&(x_1-3) = -5& \textrm{sowie}& (x_2-3)=5\\
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| \end{array}
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| </math>
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| <br /><br />
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| Also folgt <math>x_1=-2</math> und <math>x_2=8</math>. Damit haben wir zwei Nullstellen.
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| <br /><br />
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| Da wir jedoch davon ausgehen, dass Jonas den Stein nach vorne in den See wirft, beträgt die Wurfweite <math>8 m</math>.
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| | 2=Lösung | 3=schließen}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box|Zusammenfassung zur Scheitelpunktform|
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| # Die '''allgemeine Scheitelpunktform''' lautet <math>f(x)=a\cdot (x-d)^2+e</math>.
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| # Der Parameter <math>d</math> ist der '''<math>x</math>-Wert des Scheitelpunktes''', wobei man hier immer das Vorzeichen in der Klammer umkehren muss.
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| # Der Parameter <math>e</math> ist der '''<math>y</math>-Wert des Scheitelpunktes'''.
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| # <math>S(d|e)</math> ist der '''Scheitelpunkt''' der Funktion.
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| # Der Parameter <math>a</math> wird als '''Streckungsfaktor''' bezeichnet.
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| #* Ist <math>a>1</math> wird die Funktion '''gestreckt''', ist <math>a<1</math> wird die Funktion '''gestaucht'''.
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| #* Ist <math>a</math> positiv so ist die Parabel '''nach oben geöffnet''', ist <math>a</math> negativ so ist sie nach '''unten geöffnet'''.
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| #* Wenn man den Streckungsfaktor <math>a</math> zum zeichnen nutzen möchte, geht man vom Scheitelpunkt aus um eine Einheit nach links oder rechts und dann um <math>a</math> Einheiten nach oben (falls <math>a</math> negativ ist nach unten). Falls <math>a<1</math> ist, oder generell ein Bruch ist, kann dies manchmal schwierig sein. Hierfür kann man die Normalparabel <math>x^2</math> betrachten. Sinnvoll ist es nun den Nenner einzusetzen. Die erhaltene Zahl muss man nun mit dem Bruch multiplizieren. Man geht nun vom Scheitelpunkt um die eingesetzte Zahl nach links oder rechts und um die am Ende erhaltene Zahl nach oben, oder nach unten falls <math>a</math> negativ ist.
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| # Hat man nur den Scheitelpunkt und einen weiteren Punkt gegeben und soll die zugehörige Funktionsgleichung aufstellen, so nimmt man sich die allgemeine Form <math>f(x)=a\cdot (x-d)^2+e</math>. Hier kann man den Scheitelpunkt einfach einsetzen für <math>d</math> und <math>e</math>. Als nächstes setzt man den anderen Punkt für <math>x</math> und <math>y</math> ein und formt nach <math>a</math> um.
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| |Merksatz}}
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| ===Umwandlung Scheitelpunktform und Normalform===
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| Bisher hast du dich intensiv mit der Scheitelpunktform beschäftigt. In diesem Abschnitt wirst du auch mit der Normalform einer quadratischen Funktion arbeiten.
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| Diese lautet <math>f(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>
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| *Um die Scheitelpunktform in die Normalform zu überführen benötigst du die ersten beiden '''Binomischen Formeln'''.
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| *Um die Normalform in die Scheitelpunktform zu überführen benötigst du die Methode der '''quadratischen Ergänzung'''.<br /><br />
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| {{Box|1=Die ersten beiden Binomischen Formeln|2=
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| ''1. Binomische Formel:''
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| <math>(a+b)^2=a^2+2ab+b^2 </math> <br>
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| ''2. Binomische Formel:'' <math> (a-b)^2=a^2-2ab+b^2 </math>
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| Somit gilt: <math> f(x)=a\cdot (x-d)^2+e=a\cdot (x^2-2\cdot d\cdot x + d^2)+e=a\cdot x^2-a\cdot 2\cdot d\cdot x + a\cdot d^2+e=a\cdot x^2+b\cdot x+c </math>
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| (mit <math>b=-a\cdot 2\cdot d</math> und <math>c=a\cdot d^2+e</math>).|3=Merke}}
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| {{Box|1=quadratische Ergänzung|2=
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| Sei <math>f(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>:
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| # Klammere <math>a</math> aus: <math>f(x)=a\cdot (x^2+\frac{b}{a}|\cdot x+\frac{c}{a})</math>.
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| # Teile den Vorfaktor von <math>x</math> (also <math>\frac{b}{a}</math>) durch <math>2</math>, also <math>\frac{b}{2\cdot a}</math>. Dieser Wert ist unser <math>d</math> also <math>f(x)=a\cdot (x^2+2\cdot d \cdot x+\frac{c}{a})</math>.
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| # Wir erhalten also für unsere Klammer in der Scheitelpunktform <math>(x+d)^2</math>. Da <math>(x+d)^2=x^2+2\cdot x+d^2</math> ist müssen wir in der Normalform einmal <math>d^2</math> addieren und wieder subtrahieren: <math>f(x)=a\cdot ((x^2+2\cdot d \cdot x+d^2)-d^2+\frac{c}{a})</math>.
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| # Wir fassen die Klammer zur binomischen Formel zusammen und setzten <math>a\cdot (-d^2+\frac{c}{a})=e</math>. Somit erhalten wir <math>f(x)=a\cdot (x+d)^2+e</math>. (Das Vorzeichen von <math>d</math> wird hier nicht umgekehrt sondern so übernommen wie es berechnet wurde.)
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| |3=Merke}}
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| {{Box|7. Die Umwandlungen zwischen Scheitelpunktform und Normalenform
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| |Fülle den Lückentext aus, indem du auf eine Lücke klickst und die richtige Antwort auswählst.
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| {{LearningApp|app=p34109i1c19|width=100%|height=400px}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box|8. Finde die Paare*
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| |Wandle die Funktionen <math>g, f, o, m, p</math>und <math>n</math> in deinem Heft in die Normalenform um und die Funktionen <math>j, l, k, i</math>und <math>h</math> in die Scheitelpunktform. Verbinde anschließend die Paare. Hinweis: Drei Funktionen haben keinen Partner.
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| {{LearningApp|app=pghqpthwj19|width=100%|height=400px}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box|9. Würdest du bei der Umwandlung zwischen der Scheitelpunktform und der Normalform auch Millionär werden?**
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| |Wähle die Antwortmöglichkeit A,B,C oder D, welche die angefangene Gleichung zu einer korrekten quadratischen Gleichung ergänzt.
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| {{LearningApp|app=phcwj4be519|width=100%|height=400px}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Die zum Lösen benötigten Formeln sind die binomischen Formeln.
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| | 2=Tipp | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Die binomischen Formeln lauten:
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| <math>(a+b)^2=a^2+2 \cdot ab+b^2</math>
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| <math>(a-b)^2=a^2-2 \cdot ab+b^2</math>
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| <math>(a+b)\cdot(a-b)=a^2-b^2</math>
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| | 2=Tipp | 3=schließen}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| ===Die Normalenform===
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| {{Box|10. Die Normalenform|Fülle den folgenden Lückentext aus, indem du die passenden Silben einfügst.|Arbeitsmethode}}
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| <div class="lueckentext-quiz">
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| Wir schauen uns die Funktion <math>g(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math> an. Diese Funktionsgleichung liegt in der '''Normalenform''' vor. In dieser Form kann der '''<math>y</math>-Achsenabschnitt''' direkt abgelesen werden, es ist nämlich der Parameter '''<math>c</math>'''.
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| Ist der Parameter <math>a</math> kleiner als Null (<math>a<0</math>), dann ist der Graph der Funktion <math>g</math> nach '''unten''' geöffnet. <br>
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| Der Parameter <math>a</math> wird als '''Streckungsfaktor''' bezeichnet, wie auch in der Scheitelpunktform.
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| Ist <math>a</math> größer als Null (<math>a>0</math>), dann ist der Graph von <math>g</math> nach '''oben''' geöffnet. <br>
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| Ist <math>a</math> größer als Eins (<math>a>1</math>) oder kleiner als minus Eins (<math>a<-1</math>), dann sieht der Graph von <math>g</math> '''schmaler''' aus. Man sagt, dass in diesem Fall der Graph '''gestreckt''' wird. <br>
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| Liegt <math>a</math> zwischen minus Eins und Eins (<math>-1<a<1</math>), dann sieht der Graph von <math>g</math> '''breiter''' aus. Man sagt, dass in diesem Fall der Graph '''gestaucht''' wird. <br>
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| <br>
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| </div>
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| {{Box|Entdecke
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| |Hier kannst du den Einfluss der einzelnen Parameter der Normalenform <math> a, b, c </math> auf den Funktionsgraphen erkunden. Bewege dafür jeweils die Schieberegler und beobachte wie sich der Graph von <math> f </math> verändert.
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| <ggb_applet id="hu3wntum" width="1280" height="604" border="888888" />
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| |Unterrichtsidee}}
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| {{Box| 11. Funktionsgleichung gesucht!|
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| Im folgenden sind je drei Punkte einer Funktion gegeben. Stelle mit diesen Informationen die zugehörige Funktionsgleichung in Normalenform auf (im Heft).
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| '''a)''' Wie lautet die Funktionsgleichung zu den Punkten <math>P(3|2), Q(-1|0)</math> und <math>R(0|7)</math>?
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| '''b)''' Wie lautet die Funktionsgleichung zu den Punkten <math>P(4|3), Q(6|14)</math> und <math>R(9|-4)</math>?
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| {{Lösung versteckt| 1= Die Normalenform hat die Funktionsgleichung <math>g(x)=a\cdot x^2+ b\cdot x+c</math>. Überlege dir wie du die Punkte in diese Funktion einfügen kannst.
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| | 2=Tipp 1 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Setze die Punkte jeweils einzeln in die Funktionsgleichung ein (den ersten Wert für das <math>x</math> und den zweiten Wert für das <math>y</math>). Du hast nun drei verschiedene Gleichungen. Überlege dir wie du dieses lineare Gleichungssystem lösen kannst (evtl. hast du hier bereits einen Wert für <math>c</math> den du in die anderen Gleichungen einsetzten kannst).
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| | 2=Tipp 2 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Du musst nun die Gleichungen so von einander subtrahieren oder addieren, sodass eine der Variablen dabei wegfallen. Dafür musst du zuerst dafür sorgen, sodass die Vorfaktoren dieser Variablen in beiden Gleichungen identisch sind. Hast du nun nur noch eine Variable in der entstandenen Gleichung kannst du nach dieser Variablen auflösen. Hast du noch zwei Variablen musst du erneut eine der Gleichungen mit einer anderen verrechnen um eine weitere Gleichung mit den beiden Variablen zu erhalten. Diese beiden musst du abermals so verrechnen, dass eine der beiden Variablen wegfällt.
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| | 2=Tipp 3 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Die ausgerechnete Variable kannst du nun in eine der Gleichungen einsetzen wo noch eine weitere Variable vorkommt. Jetzt kannst du erneut umstellen und die zweite Variable berechnen. Wiederhole das Verfahren, falls du <math>c</math> noch berechnen musst.
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| | 2=Tipp 4 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= <math>g(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>
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| Setze <math>P(3|2)</math> ein: <math>2=a\cdot 3^2+b\cdot 3+c=a\cdot 9+b\cdot 3+c</math>
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| Setze <math>Q(-1|0)</math> ein: <math>0=a\cdot(-1)^2+b\cdot (-1) +c=a-b+c</math>
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| Setze <math>R(0|7)</math> ein: <math>7=a\cdot0^2+b\cdot 0 +c=c</math>
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| Setze den erhaltenen Wert für <math>c</math> in die ersten beiden Gleichungen ein:
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| # <math>2=a\cdot 9+b\cdot 3+7 \leftrightarrow -5=a\cdot 9+b\cdot 3</math>
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| # <math>0=a-b+7 \leftrightarrow -7=a-b</math>
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| Bringe den Vorfaktor von <math>b</math> der beiden Gleichungen auf den selben Wert, z.B. <math>3</math>, indem du die zweite Gleichung mit <math>3</math> multiplizierst:
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| <math>-7\cdot 3=a\cdot 3-b\cdot 3 \leftrightarrow -21=3\cdot a-3\cdot b</math>
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| Addiere nun die Gleichungen <math>-5=9\cdot a+3\cdot b</math> und <math>-21=3\cdot a-3\cdot b</math> und stelle nach <math>a</math> um:
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| <math>-5+(-21)=(9+3)\cdot a \leftrightarrow -26=12\cdot a \leftrightarrow -\frac{13}{6}=a</math>
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| Setze nun <math>a</math> in eine der Gleichungen ein, z.B. in <math>-7=a-b</math>:
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| <math>-7=-\frac{13}{6}-b \leftrightarrow \frac{29}{6}=b</math>
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| Somit ergibt sich: <math>g(x)=-\frac{13}{6}\cdot x^2+\frac{29}{6}\cdot x+7</math>.
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| | 2=Lösung zu a) | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= <math>g(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>
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| Setze <math>P(4|3)</math> ein: <math>3=a\cdot 4^2+b\cdot 4+c=a\cdot 16+b\cdot 4+c</math>
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| Setze <math>Q(6|14)</math> ein: <math>14=a\cdot 6^2+b\cdot 6 +c=a\cdot 36+b\cdot 6+c</math>
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| Setze <math>R(9|-4)</math> ein: <math>-4=a\cdot 9^2+b\cdot 9 +c=a\cdot 81+b\cdot 9+c</math>
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| Subtrahiere nun die Gleichungen <math>3=a\cdot 16+b\cdot 4+c</math> und <math>14=a\cdot 36+b\cdot 6+c</math>:
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| <math>3-14=(16-36)\cdot a+ (4-6)\cdot b \leftrightarrow -11=-20\cdot a-2\cdot b</math>
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| Subtrahiere nun die Gleichungen <math>14=a\cdot 36+b\cdot 6+c</math> und <math>-4=a\cdot 81+b\cdot 9+c</math> :
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| <math>14-(-4)=(36-81)\cdot a+ (6-9)\cdot b \leftrightarrow 18=-45\cdot a-3\cdot b</math>
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| Bringe den Vorfaktor von <math>b</math> der beiden erhaltenen Gleichungen auf den selben Wert, z.B. auf <math>6</math>, indem du die erste Gleichung mit <math>3</math> und die zweite mit <math>2</math> multiplizierst:
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| <math>-11\cdot 3=-20\cdot 3\cdot a-2\cdot 3 \cdot b \leftrightarrow -33=-60\cdot a-6\cdot b</math>
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| <math>18\cdot 2=-45\cdot 2\cdot a-3\cdot 2 \cdot b \leftrightarrow 36=-90\cdot a-6\cdot b</math>
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| Subtrahiere nun die Gleichungen <math>-33=-60\cdot a-6\cdot b</math> und <math>36=-90\cdot a-6\cdot b</math> und stelle nach <math>a</math> um:
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| <math>-33-36=(-60-(-90))\cdot a \leftrightarrow -69=30\cdot a \leftrightarrow -2.3=a</math>
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| Setze nun <math>a</math> in eine der Gleichungen ohne <math>c</math> ein, z.B. in <math>-11=-20\cdot a-2\cdot b</math>:
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| | |
| <math>-11=-20\cdot (-2.3)-2\cdot b \leftrightarrow -17.5=b</math>
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| Setze nun <math>a</math> und <math>b</math> in eine der Gleichungen mit <math>c</math> ein, z.B. in <math>3=a\cdot 16+b\cdot 4+c</math>:
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| <math>3=-2.3\cdot 16+(-17.5)\cdot 4+c \leftrightarrow 109.8=c</math>
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| Somit ergibt sich: <math>g(x)=-2.3\cdot x^2-17.5\cdot x+109.8</math>.
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| | 2=Lösung zu b) | 3=schließen}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box|Zusammenfassung zur Normalform|
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| # Die '''allgemeine Normalform''' lautet <math>f(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>.
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| # Der Parameter <math>c</math> ist der '''<math>y</math>-Achsenabschnitt'''.
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| # Der Parameter <math>a</math> wird als '''Streckungsfaktor''' bezeichnet.
| |
| #* Ist <math>a>1</math> wird die Funktion '''gestreckt''', ist <math>a<1</math> wird die Funktion '''gestaucht'''.
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| #* Ist <math>a</math> positiv so ist die Parabel '''nach oben geöffnet''', ist <math>a</math> negativ so ist sie nach '''unten geöffnet'''.
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| #* Wenn man den Streckungsfaktor <math>a</math> zum zeichnen nutzen möchte, geht man vom Scheitelpunkt aus um eine Einheit nach links oder rechts und dann um <math>a</math> Einheiten nach oben (falls <math>a</math> negativ ist nach unten). Falls <math>a<1</math> ist, oder generell ein Bruch ist, kann dies manchmal schwierig sein. Hierfür kann man die Normalparabel <math>x^2</math> betrachten. Sinnvoll ist es nun den Nenner einzusetzen. Die erhaltene Zahl muss man nun mit dem Bruch multiplizieren. Man geht nun vom Scheitelpunkt um die eingesetzte Zahl nach links oder rechts und um die am Ende erhaltene Zahl nach oben, oder nach unten falls <math>a</math> negativ ist.
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| # Hat man drei Punkte gegeben und soll die zugehörige Funktionsgleichung aufstellen, so nimmt man sich die allgemeine Form <math>f(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>. Hier setzt man alle drei Punkte jeweils für <math>x</math> und <math>y</math> ein und erhält so drei Gleichungen. Nun löst man das lineare Gleichungssystem.
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| # Man gelangt von der Normalenform (<math>f(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>) zur Scheitelpunktform (<math>f(x)=a\cdot (x-d)^2+e</math>) mittels '''Quadratischer Ergänzung'''.
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| # Man gelangt von der Scheitelpunktform (<math>f(x)=a\cdot (x-d)^2+e</math>) zur Normalenform (<math>f(x)=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>) durch '''Ausmultiplizieren der Klammer'''.
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| |Merksatz}}
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| ===Nullstellen===
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| Eine Parabel kann entweder '''<math>2, 1</math>''' oder '''keine''' Nullstellen besitzen. | |
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| #Sie hat <math>2</math> Nullstellen, falls:
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| #*sie nach '''oben geöffnet''' ist und ihr Scheitelpunkt einen '''negativen <math>y</math>-Wert (kleiner als <math>0</math>)''' hat.
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| #*sie nach '''unten geöffnet''' ist und ihr Scheitelpunkt einen '''positiven <math>y</math>-Wert (größer als <math>0</math>)''' hat.
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| #Sie hat <math>1</math> Nullstelle, falls ihr Scheitelpunkt den '''<math>y</math>-Wert <math>0</math>''' hat (also die <math>x</math>-Achse berührt).
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| #Sie hat keine Nullstellen, falls:
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| #*sie nach '''oben geöffnet''' ist und ihr Scheitelpunkt einen '''positiven <math>y</math>-Wert (größer als <math>0</math>)''' hat.
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| #*sie nach '''unten geöffnet''' ist und ihr Scheitelpunkt einen '''negativen <math>y</math>-Wert (kleiner als <math>0</math>)''' hat.
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| {{Box| 1= Entdecke!| 2= Verändere die Parabel mit Hilfe der Schieberegler und beobachte die Nullstellen <math>N_1</math> und <math>N_2</math>. Wann sind sie unterschiedlich, wann gleich und wann nicht vorhanden?
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| <ggb_applet id="teas6kz3" width="1256" height="478" border="888888" />
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| |3= Unterrichtsidee}}
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| Im folgenden Abschnitt werden die verschiedenen Methoden zur Nullstellenberechnung wiederholt.
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| {{Box|1=Methode 1: Wurzelziehen|2=
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| Gegeben sei eine Gleichung der Form <math>0=a\cdot x^2-c</math>, z.B. <math>0=3\cdot x^2-27</math>.
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| Bei dieser Form ist die Bedingungen fürs Wurzelziehen erfüllt:
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| Es gibt keinen Term der Form <math>b\cdot x</math>.
| |
| | |
| Nun muss noch umgeformt werden:
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| # Wir bringen <math>c</math>, also <math>27</math> auf die andere Seite: <math>c=a\cdot x^2</math>, also <math>27=3\cdot x^2</math>.
| |
| # Wir teilen durch <math>a</math>, also durch <math>3</math> (sodass der Vorfaktor zu <math>1</math> wird) : <math>\frac{c}{a}=x^2</math>, also <math>\frac{27}{3}=x^2</math>.
| |
| # Da jetzt <math>x^2</math> alleine steht kann die Wurzel gezogen werden: <math>\sqrt{\frac{c}{a}}=\sqrt{x^2}</math>, also <math>\sqrt{9}=\sqrt{x^2}</math>.
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| #* Beachte, dass <math>\frac{c}{a}</math> positiv sein muss um die Wurzel ziehen zu können.
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| #* Beachte, dass beim Wurzelziehen zwei Lösungen entstehen (mit positivem und negativem Vorzeichen).
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| # Wir erhalten somit <math>x_1=\sqrt{\frac{c}{a}}</math> und <math>x_2=-\sqrt{\frac{c}{a}}</math>, also <math>x_1=3</math> und <math>x_2=-3</math> .
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| |3=Merke}}
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| {{Box|1=Methode 2: Ausklammern|2=
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| Gegeben sei eine Gleichung der Form <math>0=a\cdot x^2+b\cdot x</math>, z.B. <math>0=4\cdot x^2+8\cdot x</math>.
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| | |
| Bei dieser Form ist die Bedingungen fürs Ausklammern erfüllt:
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| Es gibt keinen Term der Form <math>c</math>, also keine Zahl ohne ein <math>x</math>.
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| | |
| Nun muss noch umgeformt werden:
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| # Wir teilen durch <math>a</math>, also durch <math>4</math> (sodass der Vorfaktor zu <math>1</math> wird) : <math>0=x^2+\frac{b}{a} \cdot x</math>, also <math>0=x^2+\frac{8}{4} \cdot x</math>.
| |
| # Da jetzt <math>x^2</math> alleine steht können wir <math>x</math> ausklammern: <math>0=x\cdot (x+\frac{b}{a})</math>, also <math>0=x\cdot (x+2)</math>.
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| #* Wir haben nun ein Produkt. Dieses ist genau dann <math>0</math>, wenn einer der beiden Faktoren <math>0</math> ist:
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| #** Also ist entweder <math>x=0</math> oder <math>x+\frac{b}{a}=0 \leftrightarrow x=-\frac{b}{a}</math>, also <math>x+2=0 \leftrightarrow x=-2</math>.
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| # Wir erhalten somit <math>x_1=0</math> und <math>x_2=-\frac{b}{a}</math>, also <math>x_1=0</math> und <math>x_2=-2</math>.
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| |3=Merke}}
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| {{Box|1=Methode 3: p-q Formel|2=
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| Gegeben sei eine Gleichung der Form <math>0=a\cdot x^2+b\cdot x+c</math>, z.B. <math>0=2\cdot x^2+8\cdot x+14</math>.
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| Bei dieser Form muss man entweder die p-q Formel oder quadratische Ergänzung anwenden.
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| Es muss umgeformt werden:
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| # Wir teilen durch <math>a</math>, also durch <math>2</math> (sodass der Vorfaktor zu <math>1</math> wird) : <math>0=x^2+\frac{b}{a} \cdot x+ \frac{c}{a}</math>, also <math>0=x^2+\frac{8}{2} \cdot x+ \frac{14}{2}</math>.
| |
| # Da jetzt <math>x^2</math> alleine steht können wir in die p-q Formel einsetzten.
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| #* Die p-q Formel lautet: <math> x_{1/2}=-\frac{p}{2}\pm \sqrt{(\frac{p}{2})^2-q}</math>.
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| #** Das <math>p</math> ist der Vorfaktor vor dem <math>x</math>, daher ist <math>p=\frac{b}{a}</math>, also <math>p=4</math>
| |
| #** Das <math>q</math> ist die Zahl, daher ist <math>q=\frac{c}{a}</math>, also <math>q=7</math>
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| # Wir erhalten somit <math> x_1=-\frac{\frac{b}{a}}{2}+ \sqrt{(\frac{\frac{b}{a}}{2})^2-\frac{c}{a}}</math> und <math> x_2=-\frac{\frac{b}{a}}{2}- \sqrt{(\frac{\frac{b}{a}}{2})^2-\frac{c}{a}}</math>, also <math> x_1=-\frac{4}{2}+ \sqrt{(\frac{4}{2})^2-7}=-2+ \sqrt{16-7}=-2+ \sqrt{9}=-2+ 3=1</math> und <math> x_2=-\frac{4}{2}- \sqrt{(\frac{4}{2})^2-7}=-2- \sqrt{16-7}=-2- \sqrt{9}=-2- 3=-5</math>.
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| |3=Merke}}
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| {{Box|12. Erkennen der schnellsten Methode zum Nullstellen berechnen.
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| |Ordne zu.
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| {{LearningApp|app=patu3ez4j19|width=100%|height=400px}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box|13. Nullstellen berechnen.|
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| Löse die folgenden Gleichungen mit der jeweils schnellsten Methode.
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| '''a)''' <math>-3=\frac{3}{4}\cdot x^2-9</math>
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| '''b)''' <math>4\cdot x^2=8\cdot x</math>
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| '''c)''' <math>\frac{1}{3}\cdot x^2-2\cdot x=8</math>
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| {{Lösung versteckt| 1= Mache dir klar welche Methode du jeweils anwenden kannst. Falls du dir unsicher bist scrolle hoch zu den Erklärungen der Methoden.
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| | 2=Tipp 1 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Überlege dir wie du die Gleichungen umstellen musst um die passende Form zu erhalten. Beachte ob ein Vorfaktor vor dem <math>x^2</math> steht und bringe ihn auf <math>1</math>.
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| | 2=Tipp 2 | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= Da hier kein Term der Form <math>b\cdot x</math> vorkommt, kann die Methode Wurzelziehen angewandt werden:
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| Bringe die Zahlen auf die eine Seite und das <math>x^2</math> auf die andere, indem du auf beiden Seiten <math>+9</math> rechnest: <math>3=\frac{3}{4}\cdot x^2</math>.
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| Bringe nun die Vorfaktor von <math>x^2</math> auf <math>1</math>, indem du <math>\cdot \frac{4}{3}</math> rechnest: <math>4=x^2</math>.
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| Ziehe nun die Wurzel:<math>\sqrt{4}=\sqrt{x^2} \rightarrow \pm2=x \rightarrow x_1=2</math> v. <math>x_2=-2</math>.
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| | 2=Lösung zu a) | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>
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| Setze <math>S(-\frac{1}{3}|-2)</math> ein: <math>g(x)=a\cdot(x+\frac{1}{3})^2-2</math>
| | === Schatten im Weltraum === |
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| Setze <math>P(-3|0)</math> ein: <math>0=a\cdot(-3+\frac{1}{3})^2-2 \leftrightarrow 0=a\cdot (-\frac{8}{3})^2-2 \leftrightarrow 0=a\cdot \frac{64}{9}-2 \leftrightarrow 2=\frac{64}{9}\cdot a \leftrightarrow \frac{9}{32}= a</math>
| | Da im Weltraum Lichtquellen und Schattenkörper vorhanden sind; entstehen Schattenräume und Schatten. |
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| Somit ergibt sich: <math>g(x)=\frac{9}{32}\cdot(x+\frac{1}{3})^2-2</math>
| | ==== Tag und Nacht ==== |
| | 2=Lösung zu b) | 3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt| 1= <math>g(x)=a\cdot(x-d)^2+e</math>
| | Die sonnenabgewandte Seite der Erde ist der Schattenraum der Erde. Durch die Drehung der Erde um ihre Achse entsteht so Tag und Nacht. |
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| Setze <math>S(3|2)</math> ein: <math>g(x)=a\cdot(x-3)^2+2</math>
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| Setze <math>P(0|-\frac{5}{6})</math> ein: <math>-\frac{5}{6}=a\cdot(0-3)^2+2 \leftrightarrow -\frac{5}{6}=a\cdot (-3)^2+2 \leftrightarrow -\frac{5}{6}=a\cdot 9+2 \leftrightarrow -\frac{17}{6}=9\cdot a \leftrightarrow -\frac{17}{54}=a</math>
| | [[Bild:Opt_005.gif|center]] |
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| Somit ergibt sich: <math>g(x)=-\frac{17}{54}\cdot(x-3)^2+2</math>
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| | 2=Lösung zu c) | 3=schließen}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box|Ordne zu.|
| | ====Mondphasen==== |
| Ordne den Funktionsgleichungen die zugehörigen Nullstellen zu. Berechne diese dafür in deinem Heft.
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| {{LearningApp|app=p6ojja7qt19|width=100%|height=400px}}
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| |Arbeitsmethode}}
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| {{Box|Baseball|
| | Auch der Mond hat eine von der Sonne beleuchtete und eine unbeleuchtete Seite. |
| Baseball ist eine der beliebtesten Sportarten der Welt. Beim Wurf erreicht der Ball Geschwindigkeiten bis zu <math>160km/h</math>. Wenn der Schlagmann den Ball richtig trifft, kann dieser über die Tribüne hinweg aus dem Stadion fliegen. Ein bestimmter Schlag kann durch die Funktion <math>h(x)=-0.0075\cdot x^2+1.2\cdot x+1</math> beschrieben werden, wobei die horizontale Entfernung zum Schlagmann und die Höhe des Balls, jeweils in Meter angibt.
| | Da wir beim Umlauf des Mondes um die Erde unterschiedliche Anteile der beleuchteten Mondhälfte sehen, entstehen für uns die Mondphasen. |
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| '''a)''' Wie weit fliegt der Ball? Überlege dir dafür wo der Ball geschlagen wird und wo er aufkommt.
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| {{Lösung versteckt|1= Da wo der Ball geschlagen wird, ist er ja noch keinen Meter geflogen, dementsprechend ist der <math>x</math>-Wert hier noch <math>0</math>.|2= Tipp 1|3=schließen}}
| | [[Bild:Opt_006.gif|center]] |
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| {{Lösung versteckt|1= Da wo der Ball auf dem Boden aufkommt hat er keine Höhe mehr, weswegen der <math>y</math>-Wert <math>0</math>. Gesucht ist demnach eine Nullstelle. |2= Tipp 2|3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt|1= Setze die Funktion <math>h(x)=0</math> und berechne die Nullstellen. Du erhältst zwei. Überlege die nun welcher Wert mehr Sinn macht. Da der Abschlagpunkt bei <math>x=0</math> ist, ist die Nullstelle die Entfernung die der Ball fliegt. |2= Tipp 3|3=schließen}}
| | ====Sonnenfinsternis==== |
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| {{Lösung versteckt|1= Setze die Funktion <math>h(x)=0</math>: <math>-0.0075\cdot x^2+1.2\cdot x+1=0</math>.
| | Tritt der Mond bei seinem Umlauf um die Erde zwischen Erde und Sonne, kann sein Schatten auf die Erde fallen. Im Bereich dieses Schattens ist die Sonne für die Betrachter ganz oder teilweise durch den Mond verdeckt. Es entsteht so eine totale oder eine partielle [[Sonnenfinsternis]]. |
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| Um diese Gleichung zu lösen muss die <math>p-q</math> Formel verwendet werden. Dafür muss der Vorfaktor von <math>x^2</math> auf <math>1</math> gebracht werden. Wir müssen also <math>:-0.0075</math> rechnen:
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| <math>x^2+\frac{1.2}{-0.0075}\cdot x +\frac{1}{-0.0075}=x^2-160\cdot x-\frac{400}{3}=0</math>.
| | [[Bild:Opt_007.gif|center]] |
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| Nun kann die <math>p-q</math> Formel verwendet werden: <math>p=-160</math> und <math>q=-\frac{400}{3}</math>, also:
| | ====Mondfinsternis==== |
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| <math>x_{1/2}=-\frac{-160}{2}\pm \sqrt{(\frac{-160}{2})^2-(-\frac{400}{3})}=80\pm \sqrt{6400+\frac{400}{3}}=80 \pm 80.83</math>
| | Durchläuft dagegen der Mond ganz oder teilweise den Schattenraum der Erde, so wird er mehr oder weniger vollständig verdunkelt. Es entsteht eine totale oder partielle Mondfinsternis. |
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| Somit ergibt sich <math>x_1=160.83</math> und <math>x_2=-0.83</math>.
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| Der Ball fliegt also ca. <math>160.83</math> Meter.
| | [[Bild:Opt_008.gif|center]] |
| |2= Lösung|3=schließen}}
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| '''b)''' In einer Entfernung von <math>153</math> Metern steht ein <math>1,83</math> Meter großer Spieler. Dieser kann einen Ball aus ca. <math>3</math> Metern Höhe fangen. Würde es ihm gelingen den Ball mit der obigen Flugkurve zu fangen?
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| {{Lösung versteckt|1= Du musst berechnen wie hoch der Ball nach <math>153</math> Metern ist. Überlege dir dafür wo du die <math>153</math> in die Gleichung einsetzen musst.|2= Tipp 1|3=schließen}}
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| {{Lösung versteckt|1= Setzte die <math>153</math> für <math>x</math> ein, da der <math>x</math>-Wert ja die horizontale Entfernung zum Abschlagpunkt angibt.|2= Tipp 2|3=schließen}} | | '''{{wpde|Mond|Monddaten}}''': |
| | :Mittlere Entfernung Mond- Erde: 384.405 km. |
| | :Mondradius: 1738 km (0,272 mal Erdradius). |
| | :Mondmasse: 1/81 tel der Erdemasse (81 Monde haben die gleiche Masse wie die Erde). |
| | :Wegen seiner geringen Masse kann der Mond keine Atmosphäre halten. Der Mond leuchtet nicht selber, er reflektiert nur das Licht der Sonne. |
| | :Mondumlauf um die Erde: 27,3 Tage. In der gleichen Zeit rotiert er einmal um seine eigene Achse. Deshalb ist die Rückseite des Mondes nie zu sehen. Infolge der Atmosphärerosigkeit und der langsamen Umdrehung gibt es auf dem Mond starke Temperaturunterschiede. |
| | :Nachtgebiet: minus 160 °C, Taggebiet plus 130 °C. |
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| {{Lösung versteckt|1= Gesucht ist die Höhe des Balls nach <math>153</math> Metern. Daher setzten wir die <math>153</math> für <math>x</math> ein, da der <math>x</math>-Wert ja die horizontale Entfernung zum Abschlagpunkt angibt:
| | == Weblinks == |
| | * Thomas Seilnacht (Didaktik der Naturwissenschaften): [http://www.seilnacht.com/Lexikon/Licht.htm Licht] - Absorption, Reflexion, Brechung, Totalreflexion, Interferenz |
| | * [http://www.ptb.de/de/publikationen/massstaebe/mst03/mst03.html maßstäbe 3 - Zum Licht] von der [http://www.ptb.de Physikalisch Technischen Bundesanstalt] |
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| <math>h(153)=-0.0075\cdot 153^2+1.2\cdot 153+1=9.03</math>
| | * {{wbde|Einführung in die Astronomie: Astronomische Ereignisse|Tabelle}} zu Mondfinsternis und anderen Ereignissen |
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| Der Ball ist also nach <math>153</math> Metern noch über <math>9</math> Meter hoch, weswegen der Spieler, der einen <math>3</math> Meter hohen Ball fangen kann, an diesen nicht drankommt. |2= Lösung |3=schließen}}
| | * [http://www.geogebra.org/de/upload/files/dynamische_arbeitsblaetter/lwolf/lochkamera/lochkamera.html Lochkamera - Abbildungsmaßstab] (C. Wolfseher) |
| |Arbeitsmethode}}
| | *[http://www.brinkmann-du.de/physik/ph_aufgaben.htm Aufgabensammlung zur Physik] |
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| === Anwendungsaufgaben === | | == Siehe auch == |
| | * [[Astronomie]] |
| | * [[Optik]] |
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| Bei den Anwendungsaufgaben zu quadratischen Funktionen handelt es sich in der Regel um eine '''Optimierungsaufgabe''' oder um das '''Lösen eines Sachzusammenhanges'''.
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| {{Box|1=Optimierungsaufgaben|2=
| | [[Kategorie:Astronomie]] |
| Bei Optimierungsaufgaben wird in der Regel
| | [[Kategorie:Optik]] |
| |3=Merke}}
| | [[Kategorie:Physik]] |
| | [[Kategorie:Unterrichtsidee]] |
ging dieser Frage bereits vor 400 Jahren nach.
Tabelle zu Mondfinsternis und anderen Ereignissen
