MathProf - Kugel - Polarebene - Schnittebene - Berechnen - Rechner
Fachthema: Kugel - Ebene - Punkt - Interaktiv (3D)
MathProf - Vektorgeometrie - Software für interaktive Mathematik zum Lösen verschiedenster Aufgaben, zur Präsentation wissenschaftlicher Zusammenhänge sowie zur Visualisierung relevanter Sachverhalte mittels Simulationen, 2D- und 3D-Animationen für Schüler, Abiturienten, Studenten, Lehrer, Ingenieure, Wissenschaftler und alle die sich für Mathematik interessieren.
Online-Hilfe
für das Modul zur Durchführung von Untersuchungen mit Kugeln, Ebenen und Punkten im Raum.
Es ermöglicht unter anderem die Ausführung der Vektorrechnung mit Kugelgleichungen und Ebenengleichungen in verschiedenen Formen zur Ermittlung der Tangentialebene (Potenz) in einem auf der Kugel liegenden Punkt.
Zudem erlaubt der implementierte Rechner das Berechnen sowie bei Ausgabe der entsprechenden Vektorgrafik die Darstellung der Polarebene eines Kreises, welche durch einen extern der Kugel liegenden Punkt verläuft.
Auch das Analysieren der Lage einer Kugel und einer Ebene kann erfolgen. Ebenso kann die Lagebeziehung Kugel-Punkt grafisch untersucht werden. Überdies erfolgt die Berechnung und Darstellung des Schnittkreises von Kugel und Ebene, wie auch des entsprechenden Tangentialkegels.
Ein frei bewegbares und drehbares, dreidimensionales Koordinatensystem ermöglicht die Durchführung interaktiver Analysen bzgl. Sachverhalten und relevanter Zusammenhänge zu diesem Fachthema. Darüber hinaus kann die Ausführung verschiedener 3D-Animationen mit Gebilden kann veranlasst werden.
Beispiele, welche Aufschluss über die Verwendbarkeit und Funktionalität
dieses Programmmoduls geben und dazu dienlich sind, Aufgaben zu diesem Themengebiet zu lösen, sind eingebunden.
Weitere relevante Seiten zu diesem Programm
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Themen und Stichworte zu diesem Modul:Kugel - Punkt - Ebene - Punkte - Berechnen - Rechner - Zeichnen - Gleichung - Abstand - Polarebene - Tangentialebene - Schnittebene |
Kugel - Ebene - Punkt - Interaktiv (3D)
Modul Kugel - Ebene - Punkt - Interaktiv
Das Unterprogramm [Vektoralgebra] - [Kugel - Ebene- Punkt] - Kugel - Ebene- Punkt - Interaktiv ermöglicht die interaktive Durchführung von Untersuchungen mit Ebenen, Kugeln und Punkten.
Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Unterprogramms sind u.a:
- Ermittlung des Schnittkreises einer Kugel und einer Ebene
- Ermittlung der Polarebene eines Punktes und einer Kugel
- Ermittlung der Tangentialebenen einer Kugel in Kugelpunkten
- Eigenschaftsanalyse von Polar-, Tangential- und Schnittebenen
Definitionsformen von Kugeln
Um eine Kugel zu beschreiben, bestehen in diesem Unterprogramm folgende Möglichkeiten:
Definition der Kugel in vektorieller Form:
Definition der Kugel durch vier auf ihr liegende Punkte:
A(x;y;z), B(x;y;z), C(x;y;z) und D(x;y;z).
Die vektorielle Darstellungsform zur Definition einer Ebene in diesem Unterprogramm ist:
Normalenform:
Die Bedeutungen der im Programm verwendeten Bezeichungskürzel sind folgende:
E: | Ebene in Punkt-Richtungs-, Normalen-, sowie Koordinatenform |
P1,P2,P3: | Ebenenpunkte bzw. Punkt |
d: | Abstand einer Ebene vom Koordinatenursprung |
Sx,Sy,Sz: | Spurpunkte einer Ebene |
n: | Normalenvektor einer Ebene |
MP: | Mittelpunkt einer Kugel |
x,y,z: | Koordinaten des Mittelpunkts einer Kugel |
r: | Radius einer Kugel |
A,B,C,D: | Auf einer Kugel liegende Punkte |
Screenshots
Grafische Darstellung - Beispiel 1
Grafische Darstellung - Beispiel 2
Grafische Darstellung - Beispiel 3
Nachfolgend finden Sie ein Video zu diesem Fachthema, welches Sie durch die Ausführung eines Klicks
auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.
Mathematische Funktionen I - Mathematische Funktionen II - Funktionen in Parameterform - Funktionen in Polarform - Kurvenscharen - Funktionsparameter - Kubische Funktionen - Zahlenfolgen - Interaktiv - Rekursive Zahlenfolgen - Interaktiv - Quadratische Funktionen - Interaktiv - Parabel und Gerade - Interaktiv - Ganzrationale Funktionen - Interaktiv - Gebrochenrationale Funktionen - Interaktiv - Kurvendiskussion - Interaktiv - Ober- und Untersummen - Interaktiv - Integralrechnung - Interaktiv - Hypozykoide - Sinusfunktion und Cosinusfunktion - Fourier-Reihen - Implizite Funktionen - Zweipunkteform einer Gerade - Kreis und Punkt - Interaktiv - Kegelschnitte in achsparalleler Lage - Interaktiv - Rechtwinkliges Dreieck - Interaktiv - Allgemeines Dreieck - Interaktiv - Höhensatz - Eulersche Gerade - Richtungsfelder von Differentialgleichungen - Addition und Subtraktion komplexer Zahlen - Binomialverteilung - Interaktiv - Galton-Brett - Satz des Pythagoras - Bewegungen in der Ebene - Dreieck im Raum - Würfel im Raum - Torus im Raum - Schiefer Kegel - Pyramide - Pyramidenstumpf - Doppelpyramide - Hexaeder - Dodekaeder - Ikosaeder - Abgestumpftes Tetraeder - Abgestumpftes Ikosidodekaeder - Johnson Polyeder - Punkte im Raum - Strecken im Raum - Rotationskörper - Rotation um die X-Achse - Rotationskörper - Parametergleichungen - Rotation um die X-Achse - Rotationskörper - Parametergleichungen - Rotation um die Y-Achse - Flächen im Raum I - Flächen im Raum II - Analyse impliziter Funktionen im Raum - Flächen in Parameterform I - Flächen in Parameterform II - Flächen mit Funktionen in Kugelkoordinaten I - Flächen mit Funktionen in Kugelkoordinaten II - Flächen mit Funktionen in Zylinderkoordinaten - Raumkurven I - Raumkurven II - Raumkurven III - Quadriken - Ellipsoid - Geraden im Raum I - Geraden im Raum II - Ebene durch 3 Punkte - Ebenen im Raum - Kugel und Gerade - Kugel - Ebene - Punkt - Raumgittermodelle
Das Programm stellt hierbei die folgenden beiden Möglichkeiten zur Verfügung, um interaktive Analysen von Sachverhalten und
Es wird ein dem nachfolgend gezeigten, ähnliches zur Verfügung gestellt, welches die Veränderung von Punktkoordinatenwerten bzw. Koeffizienten mit Hilfe von Rollbalken zulässt.
Die Parameter folgender Einflussgrößen können durch manuelle oder simulative Veränderung der Position von Rollbalken eingestellt werden:
Objekt | Bezeichnung des veränderbaren Parameters, Koeffizienten | Bedeutung |
Kugel in vektorieller Form | X,Y,Z,r² | Koordinatenwerte des Mittelpunkts der Kugel, sowie Parameter r² der Gleichung in vektorieller Form |
Kugel in 4-Punkte-Form | Ax,Ay,Az,Bx,By,Bz, Cx,Cy,Cz,Dx,Dy,Dz | Koordinatenwerte von 4 Punkten, durch welche die Kugel beschrieben wird |
Ebene | nx,ny,nz,rx,ry,rz | Werte der Koeffizienten des Normalenvektors n und des Ortvektors r der Ebene E |
Punkt | x,y,z | Koordinatenwerte des Punkts P |
Gehen Sie folgendermaßen vor, um Zusammenhänge zu diesem Fachthema interaktiv zu analysieren:
- Aktivieren Sie Kontrollschalter Interaktiv I oder Interaktiv II.
- Sollen Untersuchungen zum Thema Schnitt Kugel - Ebene durchgeführt werden, mit einer Ebene die in Punkt-Richtungs-Form und einer Kugel die in vektorieller Form definiert ist, so aktivieren Sie den Kontrollschalter Kugel in vekt. Form - Ebene.
Möchten Sie Zusammenhänge zum Thema Kugel - Punkt mit einer Kugel die in vektorieller Form definiert ist analysieren, so aktivieren Sie den Kontrollschalter Kugel in vekt. Form - Punkt.
Eine Kugel welche in vektorieller Form definiert ist, lassen Sie sich darstellen indem Sie den Kontrollschalter Kugel in vekt. Form aktivieren.
Analysen mit einer Kugel, welche durch vier auf ihr liegende Punkte beschrieben wird, können Sie durchführen, wenn Sie den Kontrollschalter Kugel in 4-Punkte-Form aktivieren. Um sich Tangentialebenen in diesen Punkten darstellen zu lassen, aktivieren Sie das entsprechende Kontrollkästchen Tang.-ebene Ta, Tang.-ebene Tb, Tang.-ebene Tc bzw. Tang.-ebene Td.
- Bedienen Sie die Schaltfläche Darstellen.
- Nutzen Sie die auf dem Bedienformular zur Verfügung stehenden Schieberegler, um Punktkoordinaten- bzw. Koeffizientenwerte zu verändern.
- Wurde die Darstellungsart Interaktiv II gewählt, so bedienen Sie ggf. den Schieberegler Bereich um die Größe des Darstellungsbereichs anzupassen.
- Starten Sie bei Bedarf eine Autosimulation mit dem Schalter Start Sim. Diese Schaltfläche trägt hierauf die Bezeichnung Stop Sim. Angehalten werden kann die Simulation durch eine erneute Betätigung dieser.
Hinweise:
Vor dem Start einer Simulation wird ein Formular zur Verfügung gestellt, auf welchem Sie durch eine Aktivierung der entsprechenden Kontrollkästchen die Auswahl simulativ zu verändernder Einflussgrößen (Koordinatenwerte) treffen.
Bei jeder Veränderung einer Rollbalkenposition werden die Ergebnisse durchgeführter Berechnungen ausgegeben (unter der Voraussetzung, dass Textausgabe eingeschaltet ist).
Das Programm stellt hierbei die folgenden beiden Möglichkeiten zur Verfügung, um interaktive Analysen von Sachverhalten und Zusammenhängen zu diesem Fachthema durchzuführen:
- Interaktiv I
- Interaktiv II
Wird der Kontrollschalter Interakiv I aktiviert, so wird der Darstellungsbereich, abhängig von vorgegebenen Werten, vom Programm automatisch festgelegt.
Bei einer Aktivierung des Kontrollschalters Interakiv II stellt es die Zusammenhänge innerhalb eines durch Zahlenwerteingaben festlegbaren Bereichs dar. Alle auszugebenden Objekte werden in diesem Fall an den Grenzen des eingestellten Darstellungsbereichs beschnitten. Befinden sich hierbei Teile eines Objekts außerhalb des gewählten Darstellungsbereichs und ist dieses hierdurch nicht mehr vollständig sichtbar, so ist der zur Erreichung einer korrekten Ausgabe erforderliche Darstellungsbereich mit Hilfe des zur Verfügung stehenden Rollbalkens Bereich einzustellen.
Im Formularbereich Darstellung - Optionen können Sie u.a. durch die Aktivierung bzw. Deaktivierung der entsprechenden Kontrollkästchen folgende Einstellungen vornehmen, die bei Ausgabe der grafischen Darstellung der Zusammenhänge wirksam werden:
- Normalenvektor: Darstellung des Normalenvektors der Ebene ein-/ausschalten
- Lotfußpunkt: Darstellung des ermittelten Lotfußpunktes ein-/ausschalten
- Punkt: Darstellung des Punkts P ein-/ausschalten (nur verfügbar bei Darstellungsart statisch)
- Kugelpunkte: Darstellung der auf der Kugel liegenden Punkte ein-/ausschalten
(nur verfügbar wenn Kugel in 4-Punkte-Form gewählt wird) - Schnittkreis: Darstellung der Schnittkreises (falls vorhanden) der Ebene und der Kugel ein-/ausschalten
- Beschriften: Beschriftung dargestellter Vektoren und Punkte ein-/ausschalten
- Textausgabe: Anzeige ermittelter Ergebnisse bei Ausgabe der Darstellung ein-/ausschalten
Grundlegendes zum Umgang mit dem Programm bei der Ausgabe dreidimensionaler grafischer Darstellungen erfahren Sie unter Dreidimensionale Grafiken - Handling. Wie Sie das Layout einer 3D-Darstellung konfigurieren können, erfahren Sie unter 3D-Layoutkonfiguration.
Kugel - Ebene - Punkt (3D)
Ebene in Punkt-Richtungs-Form (3D)
Ebene in Punkt-Richtungs-Form - Interaktiv (3D)
Ebene in 3-Punkte-Form (3D)
Ebene in 3-Punkte-Form - Interaktiv (3D)
Ebene in Normalen-Form (3D)
Ebene in Normalen-Form - Interaktiv (3D)
Ebene in Koordinaten-Form (3D)
Ebene in Koordinaten-Form - Interaktiv (3D)
Beispiel 1 - Kugel in vektorieller Form und Ebene in Normalen-Form:
Nach der Aktivierung des Kontrollschalters Kugel in vekt. Form - Ebene und der Bedienung der Schaltfläche Darstellen auf dem Hauptformular des Unterprogramms, sowie einer Positionierung der zur Verfügung stehenden Rollbalken in den Formularbereichen Kugel und Ebene in N-Form des Bedienformulars, wie nachfolgend gezeigt,
wird eine Kugel dargestellt, welche durch eine Gleichung in vektorieller Schreibweise beschrieben werden kann mit:
sowie eine Ebene, welche durch die Gleichung
bzw.
beschrieben wird.
Das Programm gibt aus:
Kugel und Ebene schneiden sich.
Die Koordinaten des Lotfußpunkts (Mittelpunkt des Schnittkreises) sind: L (-1,604 / -2,151 / -0,906)
Radius des Schnittkreises von Kugel und Ebene: r = 4,335
Für die Eigenschaften der Ebene E ermittelt das Programm:
Drei auf der Ebene E liegende Punkte:
P1 (-3,5 / 0 / 0)
P2 (-3,75 / 1 / 0)
P3 (-5 / 0 / 1)
Die Gleichung dieser Ebene E in Koordinatenform lautet:
E: -4·X - 1·Y - 6·Z = 14
Die Gleichung dieser Ebene E in Punkt-Richtungs-Form lautet:
Spurpunkte dieser Ebene E sind:
Sx (-3,5 / 0 / 0)
Sy (0 / -14 / 0)
Sz (0 / 0 / -2,333)
Normalenvektor dieser Ebene E ist:
Abstand der Ebene E zum Koordinatenursprung: d = 1,923
Beispiel 2 - Kugel in vektorieller Form und Punkt:
Nach der Aktivierung des Kontrollschalters Kugel in vekt. Form - Punkt und der Bedienung der Schaltfläche Darstellen auf dem Hauptformular des Unterprogramms, sowie einer Positionierung der zur Verfügung stehenden Rollbalken in den Formularbereichen Kugel und Punkt P des Bedienformulars, wie nachfolgend gezeigt,
wird eine Kugel dargestellt, welche durch eine Gleichung in vektorieller Schreibweise beschrieben werden kann mit:
sowie ein Punkt mit den Koordinaten P (3 / 8 / 4).
Das Programm gibt aus:
Gleichung der Polarebene E in vektorieller Schreibweise in Punkt-Richtungs-Form:
Drei Punkte, die auf der Polarebene E liegen:
P1 (4 / 0 / 0)
P2 (2,5 / 1 / 0)
P3 (2,5 / 0 / 1)
Gleichung der Polarebene E in vektorieller Schreibweise in Normalen-Form:
Gleichung der Polarebene E in Koordinaten-Form:
E: 1·X + 1,5·Y + 1,5·Z = 4
Abstand der Polarebene E vom Koordinatenursprung: d = 1,706
Spurpunkte der Polarebene E:
Sx (4 / 0 / 0)
Sy (0 / 2,667 / 0)
Sz (0 / 0 / 2,667)
Normalenvektor der Polarebene E:
Für den Schnittkreis der Polarebene E und der Kugel K wird ausgegeben (rechtsseitig):
Lotfußpunkt (Mittelpunkt des Schnittkreises von Polarebene): L (-0,091 / 3,364 / -0,636)
Radius des Schnittkreises der Polarebene: r = 3,931
Fläche des Schnittkreises der Polarebene: A = 48,552 FE
Beispiel 3 - Kugel in vektorieller Form:
Nach der Aktivierung des Kontrollschalters Kugel in vekt. Form und der Bedienung der Schaltfläche Darstellen auf dem Hauptformular des Unterprogramms, sowie einer Positionierung der zur Verfügung stehenden Rollbalken im Formularbereich Kugel des Bedienformulars, wie nachfolgend gezeigt,
wird eine Kugel K dargestellt, welche durch eine Gleichung in vektorieller Schreibweise beschrieben werden kann mit:
Für die Eigenschaften der Kugel K gibt das Programm aus:
Mittelpunkt: M (-3 / 2 / 3)
Radius der Kugel: r = 3,162
Volumen der Kugel: V = 132,461 VE
Oberfläche der Kugel: O = 125,664 FE
Beispiel 4 - Kugel in 4-Punkte-Form:
Nach der Aktivierung des Kontrollschalters Kugel in 4-Punkte-Form, der Aktivierung des Kontrollkästchens Tang.-Ebene Ta und der Bedienung der Schaltfläche Darstellen auf dem Hauptformular des Unterprogramms, sowie einer Positionierung der zur Verfügung stehenden Rollbalken im Formularbereich Kugel des Bedienformulars, wie nachfolgend gezeigt,
wird eine Kugel K dargestellt, welche durch die auf ihr liegenden Punkte
A (0 / 2 / 3)
B (-2 / 4 / -3)
C (6 / 5 / -2)
D (-7 / -3 / 0)
definiert ist.
Für die Eigenschaften der Kugel K ermittelt das Programm:
Mittelpunkt: M (3,702 / -6,785 / -4,829)
Radius der Kugel: r = 3,512
Volumen der Kugel: V = 7863,135 VE
Oberfläche der Kugel: O = 1912,264 FE
Für die Eigenschaften der Tangentialebene Ta in Punkt A wird zudem ausgegeben:
Gleichung der Tangentialebene Ta in vektorieller Schreibweise in Punkt-Richtungs-Form:
Drei Punkte auf der Tangentialebene Ta liegende Punkte:
P1 (-11,091 / 0 / 0)
P2 (-8,718 / 1 / 0)
P3 (-8,976 / 0 / 1)
Gleichung der Tangentialebene Ta in vektorieller Schreibweise in Normalen-Form:
Gleichung der Tangentialebene Ta in Koordinaten-Form:
E: -3,702·X + 8,785·Y + 7,829·Z = 41,057
Abstand der Tangentialebene Ta vom Koordinatenursprung: d = 3,328
Spurpunkte der Tangentialebene Ta:
Sx (-11,091 / 0 / 0)
Sy (0 / 4,673 / 0)
Sz (0 / 0 / 5,244)
Normalenvektor der Tangentialebene Ta:
Eine kleine Übersicht in Form von Bildern und kurzen Beschreibungen über einige zu den einzelnen Fachthemengebieten dieses Programms implementierte Unterprogramme finden Sie unter Screenshots zum Themengebiet Analysis - Screenshots zum Themengebiet Geometrie - Screenshots zum Themengebiet Trigonometrie - Screenshots zum Themengebiet Algebra - Screenshots zum Themengebiet 3D-Mathematik - Screenshots zum Themengebiet Stochastik - Screenshots zum Themengebiet Vektoralgebra sowie unter Screenshots zu sonstigen Themengebieten.
Hilfreiche Informationen zu diesem Fachthema sind unter folgenden Adressen zu finden.
Wikipedia - Kugel
Wikipedia - Ebene
Gerade und Vektoren - Vektorielle Linearkombination - Vektorielles Teilverhältnis - Vektoraddition in der Ebene - Resultierende - Vektorprodukt (3D) - Skalarprodukt (3D) - Spatprodukt (3D) - Vektorprojektion (3D) - Tripelprodukt (3D) - Numerische Vektoraddition im Raum - Grafische Vektoraddition im Raum (3D) - Gerade in Punkt-Richtungs-Form (3D) - Gerade in 2-Punkte-Form (3D) - Ebene in Punkt-Richtungs-Form (3D) - Ebene in 3-Punkte-Form (3D) - Ebene in Normalen-Form (3D) - Ebene in Koordinaten-Form (3D) - Zwei Ebenen (3D) - Kugel - Gerade (3D) - Kugel - Ebene - Punkt (3D) - Kugel - Kugel (3D) - Komponentendarstellung - Interaktiv (3D) - Vektorprodukt - Interaktiv (3D) - Skalarprodukt - Interaktiv (3D) - Spatprodukt - Interaktiv (3D) - Vektorprojektion - Interaktiv (3D) - Tripelprodukt - Interaktiv (3D) - Grafische Vektoraddition im Raum - Interaktiv (3D) - Gerade in Punkt-Richtungs-Form - Interaktiv (3D) - Gerade in 2-Punkte-Form - Interaktiv (3D) - Ebene in Punkt-Richtungs-Form - Interaktiv (3D) - Ebene in 3-Punkte-Form - Interaktiv (3D) - Ebene in Normalen-Form - Interaktiv (3D) - Ebene in Koordinaten-Form - Interaktiv (3D) - Ebene - Ebene - Interaktiv (3D) - Kugel - Gerade - Interaktiv (3D) - Kugel - Kugel - Interaktiv (3D) - Spiegelungen mit Geraden in Punkt-Richtungs-Form (3D) - Spiegelungen mit Geraden in 2-Punkte-Form (3D) - Spiegelungen mit Ebenen in Punkt-Richtungs-Form (3D) - Spiegelungen mit Ebenen in 3-Punkte-Form (3D) - Spiegelungen mit Ebenen in Normalen-Form (3D) - Spiegelungen mit Ebenen in Koordinaten-Form (3D)
Startfenster des Unterprogramms Kugel - Ebene - Punkt - Interaktiv
MathProf 5.0 - Startfenster des Unterprogramms Gerade in Punkt-Richtungsform
MathProf 5.0 - Grafikfenster des Unterprogramms Kurven von Funktionen in Parameterform
PhysProf 1.1 - Unterprogramm Adiabatische Zustandsänderung
SimPlot 1.0 - Grafik- und Animationsprogramm für unterschiedlichste Anwendungszwecke
Nachfolgend finden Sie ein Video zu einer mit SimPlot 1.0 erstellten Animationsgrafik, welches Sie durch die Ausführung eines Klicks auf die nachfolgend gezeigte Grafik abspielen lassen können.
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