Subjects geometrie

Würfel Winkel 4580Ec

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Question: 19. Ein Partner löst die folgenden Textaufgaben für einen Würfel der Kantenlänge 5 cm, der andere für einen Würfel der Kantenlänge 7 cm. Vergleicht eure Ergebnisse und verallgemeinert auf eine beliebige Kantenlänge $a$. a) Wie groß ist der Winkel, den die Raumdiagonale des Würfels (1) mit einer Kante bildet; (2) mit der Diagonalen einer Seitenfläche bildet? b) Wie groß ist der Winkel zwischen zwei Raumdiagonalen?
1. **Problemstellung:** Wir betrachten einen Würfel mit Kantenlänge $a$. Gesucht sind: a) Die Winkel zwischen (1) der Raumdiagonale und einer Kante, (2) der Raumdiagonale und der Diagonalen einer Seitenfläche. b) Der Winkel zwischen zwei Raumdiagonalen. 2. **Wichtige Formeln und Definitionen:** - Kantenlänge: $a$ - Raumdiagonale $d_r = a\sqrt{3}$ (Verbindung gegenüberliegender Ecken im Würfel) - Seitenflächendiagonale $d_f = a\sqrt{2}$ (Diagonale einer quadratischen Seitenfläche) 3. **Berechnung der Winkel:** ### a) (1) Winkel zwischen Raumdiagonale und Kante - Die Raumdiagonale verläuft von $(0,0,0)$ zu $(a,a,a)$. - Eine Kante verläuft z.B. von $(0,0,0)$ zu $(a,0,0)$. Der Winkel $\theta_1$ zwischen zwei Vektoren $\vec{u}$ und $\vec{v}$ berechnet sich mit: $$\cos(\theta) = \frac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{|\vec{u}||\vec{v}|}$$ Setze: $$\vec{u} = (a,a,a), \quad \vec{v} = (a,0,0)$$ Skalarprodukt: $$\vec{u} \cdot \vec{v} = a \cdot a + a \cdot 0 + a \cdot 0 = a^2$$ Längen: $$|\vec{u}| = a\sqrt{3}, \quad |\vec{v}| = a$$ Also: $$\cos(\theta_1) = \frac{a^2}{a \cdot a\sqrt{3}} = \frac{a^2}{a^2\sqrt{3}} = \frac{1}{\sqrt{3}}$$ Daraus folgt: $$\theta_1 = \arccos\left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) \approx 54{,}74^\circ$$ ### a) (2) Winkel zwischen Raumdiagonale und Seitenflächendiagonale - Seitenflächendiagonale z.B. von $(0,0,0)$ zu $(a,a,0)$. Setze: $$\vec{u} = (a,a,a), \quad \vec{w} = (a,a,0)$$ Skalarprodukt: $$\vec{u} \cdot \vec{w} = a^2 + a^2 + 0 = 2a^2$$ Längen: $$|\vec{u}| = a\sqrt{3}, \quad |\vec{w}| = a\sqrt{2}$$ Also: $$\cos(\theta_2) = \frac{2a^2}{a\sqrt{3} \cdot a\sqrt{2}} = \frac{2a^2}{a^2 \sqrt{6}} = \frac{2}{\sqrt{6}} = \frac{2\sqrt{6}}{6} = \frac{\sqrt{6}}{3}$$ Daraus folgt: $$\theta_2 = \arccos\left(\frac{\sqrt{6}}{3}\right) \approx 35{,}26^\circ$$ ### b) Winkel zwischen zwei Raumdiagonalen - Zwei Raumdiagonalen, z.B. von $(0,0,0)$ zu $(a,a,a)$ und von $(a,0,0)$ zu $(0,a,a)$. Vektoren: $$\vec{u} = (a,a,a), \quad \vec{v} = (-a,a,a)$$ Skalarprodukt: $$\vec{u} \cdot \vec{v} = a(-a) + a a + a a = -a^2 + a^2 + a^2 = a^2$$ Längen: $$|\vec{u}| = a\sqrt{3}, \quad |\vec{v}| = a\sqrt{3}$$ Also: $$\cos(\theta_3) = \frac{a^2}{a\sqrt{3} \cdot a\sqrt{3}} = \frac{a^2}{3a^2} = \frac{1}{3}$$ Daraus folgt: $$\theta_3 = \arccos\left(\frac{1}{3}\right) \approx 70{,}53^\circ$$ **Zusammenfassung:** - Winkel Raumdiagonale-Kante: $\approx 54{,}74^\circ$ - Winkel Raumdiagonale-Seitenflächendiagonale: $\approx 35{,}26^\circ$ - Winkel zwischen zwei Raumdiagonalen: $\approx 70{,}53^\circ$
ABDCRaumdiagonaleKante