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Reflektierende Kugel Aufgabe mit Matura-/Abiturniveau

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Aufgabe

Gegeben sind die Gerade g und die Kugel mit dem Mittelpunkt M.

        (    )     (     )
           2           1
g : r(t) =  4   + t     2        M (-1 |1|0 )
           0         - 2
Die Gerade g ist eine Tangente an die Kugel mit Mittelpunkt M.
  1. Berechne den Radius der Kugel sowie den Beührungspunkt P der Gerade g an der Kugel.
  2. Bestimme die Gleichung der Tangente h, welche senkrecht zur Geraden g steht und die Kugel im gleichen Punkt wie g berührt.
  3. Ein Lichtstrahl geht von der Lichtquelle L aus in Richtung des Vektors v  .
                         (   )
                       1
L(11|12 |22)     v =   1
                       2
    Der Lichtstrahl wird an der Kugel ideal reflektiert. Wo trifft der reflektierte Lichtstrahl auf die xz-Ebene?

Lösung

  1. Radius r = 3  ; Berührungspunkt P (1|2 |2)
    Die Verbindung PM steht senkrecht zum Richtungsvektor der Geraden g.
  2. Q( -6.6|0 |-2)
    Zuerst müssen die Durchstosspunkte des Lichtstrahls l mit der Kugel berechnet werden. Der näher bei L liegende Punkt ist der richtige (entspricht P aus obiger Teilaufgbe).
    Als nächstes muss die Lichtstrahlgerade l an der Tangentialebene im Durchstosspunkt P gespiegelt werden. Dies liefert die Lichtgerade l’.
    Schlussendlich muss der Durchstosspunkt der l’ Gerade durch die xz-Ebene berechnet werden.