Kreisbogen – Einführung

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Grundlagen zum Thema Kreisbogen – Einführung
Der Kreisbogen in der Mathematik
Herr Müller ist zu Gast im Hotel Ibiza und möchte sich die besten Plätze am kreisrunden Pool reservieren. Um zu wissen, wie viele Handtücher er dafür braucht, muss er wissen, wie lang der Kreisbogen ist, den er besetzen will. Wie die Berechnung eines Kreisbogens funktioniert, wollen wir uns im Folgenden anschauen.
Was ist ein Kreisbogen?
Herr Müller möchte einen großen Platz am Rand des kreisrunden Pools reservieren. Die Länge ist also ein Teil des Kreisumfangs. Wenn wir den Pool von oben betrachten, können wir von den Grenzen des reservierten Randstücks aus Strecken beziehungsweise Radien $r$ zum Mittelpunkt des Kreises ziehen.
So entsteht eine Form, die aussieht wie ein Tortenstück. Der Winkel zwischen den Radien ist der Mittelpunktswinkel $\alpha$. Der Anteil des Umfangs, der durch die Radien begrenzt wird, ist der Kreisbogen $b$ zum Mittelpunktswinkel $\alpha$.
Wie kann man den Kreisbogen berechnen?
Wenn wir uns verschiedene Mittelpunktswinkel und die dazugehörigen Kreisbogen anschauen, stellen wir fest, dass beide Größen eng miteinander zusammenhängen. Je größer der Mittelpunktswinkel ist, desto größer ist auch der Kreisbogen. Auch die Minimal- und Maximalwerte hängen zusammen. Bei einem Mittelpunktswinkel von $\alpha=0^{\circ}$, wenn also die beiden Radien genau übereinanderliegen, ist der Kreisbogen $b$ auch gleich null. Ist der Mittelpunktswinkel $\alpha = 360^{\circ}$, entspricht also dem vollen Kreis, ist der Kreisbogen $b=U_{\circ}$, entspricht also dem vollen Kreisumfang. Ist $\alpha = 180^{\circ}$, entspricht also einem halben Kreis, ist der Kreisbogen so lang wie der halbe Umfang. Das können wir in der folgenden Formel ausdrücken:
$\frac{b}{U_{\circ}} = \frac{\alpha}{360^{\circ}}$
Um $b$ zu isolieren, müssen wir diese Gleichung auf beiden Seiten mit $U_{\circ}$ multiplizieren:
$\frac{b}{U_{\circ}} = \frac{\alpha}{360^{\circ}} ~ ~ |\cdot U_{\circ}$
$\Leftrightarrow b = \frac{\alpha}{360^{\circ}}\cdot U_{\circ}$
Wir kennen schon eine Formel für den vollen Kreisumfang $U_{\circ}$:
$U_{\circ} = 2\pi \cdot r$
Diese Formel setzen wir in die Formel für den Kreisbogen ein und erhalten:
$b = \frac{\alpha}{360^{\circ}} \cdot 2\pi \cdot r$
Damit haben wir eine Formel, mit der wir die Länge des Kreisbogens $b$ berechnen können. Wir brauchen nur den Mittelpunktswinkel $\alpha$ und den Radius $r$ des Kreises.
Kreisbogen – Aufgaben
Als Beispiel schauen wir uns wieder den Pool im Hotel Ibiza an. Der Mittelpunktswinkel $\alpha$ beträgt in diesem Fall $60^{\circ}$. Außerdem hat der Pool einen Radius $r$ von $5~\pu{m}$. Diese Werte müssen wir in unsere Formel für $b$ einsetzen:
$b = \frac{60^{\circ}}{360^{\circ}} \cdot 2\pi \cdot 5~\pu{m}$
Wir kürzen zunächst im Bruch $60$ mit $360$ und $^{\circ}$ mit $^{\circ}$ und erhalten:
$b = \frac{1}{6} \cdot 2\pi \cdot 5~\pu{m}$
Den Rest können wir in den Taschenrechner eingeben, um ein gerundetes Ergebnis zu erhalten:
$b \approx 5,24~\pu{m}$
Der Kreisbogen $b$ hat also eine Länge von $5,24$ Metern.
Kurze Zusammenfassung zum Video Kreisbogen - Einführung
In diesem Video erfährst du, wie der Kreisbogen und der Mittelpunktswinkel miteinander zusammenhängen. Du lernst außerdem, wie du die Länge des Kreisbogens berechnen kannst. Dieses Video wird durch interaktive Aufgaben ergänzt.
Transkript Kreisbogen – Einführung
Kurz nach dem Sonnenaufgang im Hotel Ibiza geht Herr Müller seine Tagesplanung durch. Seine Teuerste wünscht am Pool in der ersten Reihe zu sitzen! Ein Sechstel des Pools dürfte für die beiden wohl genügen. Müller grübelt aber noch, wie viele Handtücher er wohl braucht, um alles zu reservieren. Dafür berechnet er die Länge eines Kreisbogens. Beginnen wir erstmal mit den Grundbegriffen rund um den Kreis. eder Kreis hat einen Mittelpunkt u eine Kreislinie. Der Abstand dazwischen heißt Radius r, und dies ist der Durchmesser d. Er ist genau zweimal so lang wie der Radius. Mit dem Radius kannst du außerdem den Umfang U eines Kreises berechnen. Er gibt die Länge der Kreislinie an, und du rechnest dafür '2 mal die Kreiszahl Pi mal den Radius'. Während der Umfang den ganzen Kreis umfasst ist der Kreisbogen b nur ein Anteil davon. Er gibt die Länge dieses Bogens hier an und erinnert tatsächlich ein bisschen an Pfeil und Bogen. Schauen wir uns mal den entsprechnenden Kreismittelpunktswinkel Alpha an. Der Winkel Alpha kann dabei von Null bis zu 360 Grad erreichen. Also liegt Alpha immer zwischen Null und 360 Grad. Die Kreisbogenlänge reicht ihrerseits von Null bis zur vollen Länge des Umfangs, liegt also zwischen Null und der Umfanglänge. Fällt dir etwas auf? - Die Größen von Kreisbogen und Mittelpunktswinkel gehören fest zusammen. Denn der Kreisbogen verhält sich zum Kreisumfang genau so wie der Mittelpunktswinkel zu den vollen 360 Grad. Jetzt haben wir schon eine erste Formel! Um die Bogenlänge b berechnen zu können, multiplizieren wir noch auf beiden Seiten mit dem Umfang, damit die Bogenlänge isoliert vorliegt. Erinnerst du dich noch an den Ausdruck für den Umfang? Den können wir jetzt in unsere Formel einsetzen. Jetzt hast du die fertige Formel für die Bogenlänge. Zum Verwenden der Formel benötigst du den Kreismittelpunktswinkel Alpha und den Radius des Kreises. Zurück zu den Müllers: Der Radius ihres Hotel-Pools wurde ihnen mit fünf Metern angepriesen. Und der Kreismittelpunktswinkel Alpha? Ein Sechstel des Pools führt zu einem Sechstel von 360 Grad und das sind gekürzt 60 Grad. Winkel und Radius haben wir! Nun nehmen wir die Formel für die Bogenlänge eines Kreises und setzen die Werte für den Winkel und den Radius ein. Als allererstes kürzen wir den Bruch erstmal mit Zehn; dabei fällt jeweils eine Null hinten weg. 6 durch 36 kürzen wir noch mit 6! Aber jetzt stört immer noch die Grad-Einheit. Daher kürzen wir auch die, denn Kürzen geht auch mit Einheiten! Diese Faktoren können wir in den Zähler des Bruchs ziehen, den Faktor Eins müssen wir dabei nicht hinschreiben - also lassen wir ihn weg. Nun kürzen wir noch die Zwei mit der Sechs und erhalten eine Meterlänge von 5 Pi Dritteln. Wie lang der Kreisbogen des Pools also gerundet ist, verrät der Taschenrechner: Das sind Fünf Komma Zwei Vier Meter. Da braucht Herr Müller zum Reservieren auf jeden Fall mehrere Handtücher! Übrigens hätten wir die Rechnung vorhin auch ordentlich "abkürzen" können! Lass uns zum Verständnis dafür zurückspulen. Bevor wir gekürzt und alles zu einem Bruch zusammengefasst haben, stand da "ein Sechstel mal dieser Ausdruck". Dieses "ein Sechstel" ist ursprünglich "Alpha durch 360 Grad" gewesen - wir haben da nur Alpha eingesetzt und gekürzt. Die fünf Meter sind dabei einfach der gegebene Radius. Dies hier ist genau der Ausdruck für den Umfang. Also haben wir eigentlich nur "ein Sechstel... vom Umfang" berechnet! Das ist genau das ursprüngliche "ein Sechstel" vom Poolrand! Wenn du also statt Alpha direkt schon einen Bruch gegeben bekommst ... kannst du so abkürzen! Fassen wir das Gelernte zum Abschluss zusammen! Abhängig vom Kreismittelpunktswinkel Alpha kannst du die Kreisbogenlänge mit dieser Formel berechnen. Für den kleinstmöglich Winkel von Alpha, nämllich Null Grad, ist die zugehörige Kreisbogenlänge enstprechend Null. Für den größtmöglichen Winkel im Kreis von 360 Grad hat der zugehörige Kreisbogen eine Länge von zwei Pi mal dem Radius, was der Länge des vollen Umfangs des Kreises entspricht. Wernn dir aber die Größe eines Anteils des Kreises direkt als Bruch gegeben wird, kannst du auch den Anteil mit zwei Pi mal den Radius multiplizieren, also schnell Anteil mal Umfang rechnen und du erhältst ebenfalls den Kreisbogen! Die Müllers genießen mittlerweile ihren Tag am Pool - in der ersten Reihe! Aber war ist denn jetzt los?! Das geht ja gar nicht! Da sind die Müllers wohl in ein ganz besonderes Festival geraten! Ob es sie tröstet, dass sie wenigstens genug Handtücher haben?
Kreisbogen – Einführung Übung
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Bestimme zugehörige Winkel und Kreisbogen.
TippsDer Kreismittelpunktswinkel $\alpha$ steht zum Gesamtwinkel $360^\circ$ im selben Verhältnis wie der Kreisbogen $b$ zum Umfang $U$.
Die Formel für den Umfang lautet $U = 2\pi \cdot r$.
Ist der Kreisbogen $\frac{1}{6}$ des Umfangs, so ist der Kreismittelpunktswinkel $\frac{1}{6}$ des Gesamtwinkels $360^\circ$.
LösungDie Formel für den Umfang eines Kreises mit Radius $r$ lautet:
$U = 2\pi \cdot r$
Gesucht ist die Formel für die Länge eines Kreisbogens $b$, der $\frac{1}{6}$ des Umfangs ausmacht.
Folgende Formeln sind richtig:
- $b=\frac{U}{6}$
- $b = \frac{60^\circ}{360^\circ} \cdot 2 \pi \cdot r$
Folgende Formeln sind falsch:
- $b=\frac{U}{r}$
- $b=\frac{2\pi}{U}$
- $b=\frac{360^\circ}{60^\circ} \cdot 2\pi \cdot r$
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Bestimme die Länge des Kreisbogens.
TippsDer Kreismittelpunktswinkel steht zum Gesamtwinkel im selben Verhältnis wie der Kreisbogen zum Umfang.
Die Länge eines Kreisbogens berechnest du aus dem Umfang und dem Kreismittelpunktswinkel.
Umfasst der Kreisbogen $\frac{1}{6}$ des Kreisrandes, so beträgt seine Länge $\frac{1}{6}$ des Umfangs.
LösungDie Größe des Kreismittelpunktswinkels und die Länge des zugehörigen Kreisbogens sind proportional zueinander. Vervielfacht man den Winkel, so vervielfacht sich die Länge des Kreisbogens im gleichen Verhältnis.
Herr Müller bestimmt zuerst den Kreismittelpunktswinkel $\alpha$. Da die Müllers $\frac{1}{6}$ des Poolrandes reservieren wollen, erhalten wir den zugehörigen Kreismittelpunktswinkel wie folgt:
$\alpha =\frac{1}{6} \cdot 360^\circ = 60 ^\circ$
Der Radius des Hotelpools ist mit $r=5~\text{m}$ angegeben. Daraus berechnet Herr Müller den Umfang $U$ des gesamten Pools mit folgender Formel:
$ U = 2\pi \cdot r = 2\pi \cdot 5~\text{m} = 10 \cdot \pi~\text{m} \approx 31,\!41~\text{m} $
Um $\frac{1}{6}$ des Poolrandes mit Handtüchern zu reservieren, benötigen die Müllers $\frac{1}{6}$ des Poolumfangs in Handtüchern. Bei einem Umfang von etwa $31,\!41$ $\text{m}$ sind das:
$31,\!41~\text m:6 \approx 5,\!24~\text{m}$
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Erschließe die Winkel und Kreisbogen.
TippsDer Umfang eines Kreises mit dem Radius $6,\!6~\text{m}$ beträgt ungefähr $2 \pi \cdot 6,\!6~\text{m} = 40~\text{m}$.
Um $\frac{1}{6}$ des Poolrandes lückenlos abzudecken, benötigen die Müllers Handtücher der Gesamtlänge $\frac{1}{6} U'$, wobei $U'$ der Umfang des Kreises mit Radius $5,\!5~\text{m}$ ist.
Der maximal abdeckbare Winkel steht zu $360^\circ$ im selben Verhältnis wie die verfügbare Länge zum Umfang $U'$.
LösungHerr Müller berechnet Umfang und Bogenlänge für einen Kreis mit Radius vom Kreismittelpunkt bis zur äußeren Handtuchkante. Der Radius des Pools zuzüglich der Handtuchbreite beträgt $5,\!5~\text{m}$. Ein Kreis mit diesem Radius hat folgenden Umfang:
$U=2\pi \cdot 5,\!5~\text{m} \approx 34,\!56~\text{m}$
Der Kreisbogen von $\frac{1}{6}$ dieses neuen Umfangs beträgt dann:
$34,\!56~\text m:6 \approx 5,\!76~\text{m}$
Legen die Müllers alle verfügbaren Handtücher nebeneinander, kommen sie auf $\frac{1}{7}$ des Poolrandes. Der zugehörige Winkel beträgt $\frac{1}{7}$ des Gesamtwinkels, also:
$\frac{360^\circ}{7} \approx 52^\circ$
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Charakterisiere, wie der Kreismittelpunktswinkel $\alpha$ mit der Länge des entsprechenden Kreisbogens zusammenhängt.
TippsBenutze die Formel $b = \frac{\alpha}{360^\circ} \cdot 2\pi \cdot r$, um die Länge des Kreisbogens aus dem Kreismittelpunktswinkel $\alpha$ zu berechnen.
Ist der Radius eines Kreises festgelegt, so sind die Länge $b$ eines Kreisbogens und der zugehörige Kreismittelpunktswinkel $\alpha$ voneinander abhängig bestimmt.
LösungDie Größe des Kreismittelpunktswinkels $\alpha$ und die Länge des zugehörigen Kreisbogens $b$ sind proportional zueinander. Aus dem Winkel $\alpha$ erhält man den Kreisbogen $b = \frac{\alpha}{360^\circ} \cdot 2\pi r$.
Folgende Aussagen sind falsch:
- Einer Verdoppelung des Winkels entspricht eine Halbierung des Kreisbogens.
- Die Länge des Kreisbogens mit dem Winkel $\alpha$ hängt nicht vom Radius des Kreises ab.
- Der Kreisbogen eines Winkels von $60^\circ$ ist mehr als doppelt so lang wie der Radius.
Folgende Aussagen sind richtig:
- Winkel und Kreisbogen verändern sich proportional zueinander.
- Das Verhältnis zwischen der Größe des Winkels in $^\circ$ und der Länge des Kreisbogens in $\text cm$ hängt vom Radius des Kreises ab.
- Der Anteil eines Kreisbogens am Umfang des Kreises ist derselbe wie der Anteil des zugehörigen Winkels am Gesamtwinkel $360^\circ$.
- Verdoppelt man den Radius eines Kreises, so verdoppelt sich auch der Umfang des Kreises und die Länge eines jeden Kreisbogens.
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Berechne den Winkel und Kreisbogen.
TippsTeilt man einen Kreis in vier gleiche Teile, wird auch der Gesamtwinkel von $360^\circ$ in vier gleiche Teile geteilt.
Halbiert man den Winkel, halbiert sich auch die Länge des Kreisbogens.
Den Umfang eines Kreises berechnet man durch Multiplikation des Radius mit $2\pi$.
LösungDie Müllers wollen $\frac{1}{6}$ des Poolrandes mit Handtüchern reservieren. Dazu berechnet Herr Müller den Kreismittelpunktswinkel:
$ \alpha = \frac{1}{6} \cdot 360^\circ = 60^\circ $
Nun rechnet Herr Müller die Länge des Kreisbogens aus. Der Kreisbogen soll $\frac{1}{6}$ des Umfanges betragen. Für den Umfang $U$ eines Kreises mit Radius $r$ gilt die Formel:
$U=2\pi r$
Der gesuchte Kreisbogen soll $\frac{1}{6}$ des Umfanges betragen. Für seine Länge rechnet Herr Müller:
$ b = \frac{U}{6} = \frac{2\pi \cdot 5}{6}~\text{m} = \frac{5\pi}{3}~\text{m} \approx 5,\!24~\text{m} $
Statt $\frac{1}{6}$ des Umfanges direkt zu berechnen, hätte Herr Müller auch den Kreismittelpunktswinkel $\alpha = 60^\circ$ verwenden können. Diese Rechnung sieht dann so aus:
$b =\frac{60^\circ}{360^\circ} \cdot 2\pi \cdot r = \frac{1}{6} \cdot 2 \pi \cdot 5~\text m \approx 5,\!24~\text m$
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Erschließe Winkel, Bogenlänge und Radius aus dem Kontext.
TippsZur Berechnung der Bogenlänge $b$ aus dem Kreismittelpunktswinkel $\alpha$ gilt die Formel $b = \frac{\alpha}{360^\circ} \cdot 2\pi\cdot r$.
Die Formel kann man auch zur Berechnung des Winkels bei bekanntem Kreisbogen nutzen.
Lösung- Aus dem Radius $\frac{3}{\pi}~\text{m}$ erhalten wir den Umfang $U= 2\pi r = 6~\text{m}$ des Kreises, den die äußeren Kanten des Radars beschreiben. Ein Umlauf dauert zwei Sekunden, in einer halben Sekunde dreht sich das Radar daher um einen Viertelkreis. Der Weg des Punktes, an dem die Möwe sitzt, beträgt daher $\frac{1}{4}$ des Umfangs, also $1,\!5~\text{m}$. Die Geschwindigkeit ergibt sich aus dem zurückgelegten Weg, dividiert durch die verstrichene Zeit. Für einen Umlauf ergibt sich die Geschwindigkeit $\frac{6~\text{m}}{2~\text{s}} = 3~\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Rechnet man stattdessen mit dem während einer halben Sekunde zurückgelegten Viertelkreis, so ergibt sich wegen der Proportionalität von Winkel und Kreisbogen derselbe Wert für die Geschwindigkeit.
- Der Hotelkonditor teilt den Umfang der Torte bzw. den Winkel in gleichgroße Stücke. Da Bogenlänge und Winkel proportional sind, muss nur die Ganzzahligkeit der Winkel und Bogenlängen für die einzelnen Stücke berücksichtigt werden. Der Konditor zerlegt den Umfang und den Gesamtwinkel in Primfaktoren und erhält $54 = 6 \cdot 9 = 2 \cdot 3 \cdot 3 \cdot 3$ bzw. $360 = 10 \cdot 36 = 2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 3\cdot 5$. Der größte gemeinsame Teiler ist demnach $18$. Der Konditor schneidet also die Torte in $18$ Stücke. Der Winkel eines jeden Stückes beträgt $\frac{360^\circ}{18} = 20^\circ$. Die Bogenlänge misst $\frac{54~\text{cm}}{18} = 3~\text{cm}$.
- Der Umfang des Ponykreises ergibt sich aus den $150$ $\text m$, die Herr Müller nach zweieinhalb Runden zurückgelegt hat: $150~\text{m} : 2,\!5 = 60~\text{m}$. Der Radius beträgt dann $60~\text{m} : (2\pi) = 9,\!55~\text{m}$. Es sind also etwas weniger als $10~\text{m}$ zu laufen für die Enkelin.
- Herrn Müllers Schrebergartenbeet hat die Form eines Sektors. Der Radius ist durch die beiden Zäune festgelegt und beträgt $r=3~\text{m}$. Die Länge des Kreisbogens ist durch den verfügbaren Maschendraht auf höchstens $b= 1,\!2 \cdot \pi~\text{m}$ beschränkt. Der maximal mögliche Winkel $\alpha$ ergibt sich aus der maximal möglichen Bogenlänge. Der Umfang eines Kreises mit Radius $r= 3~\text{m}$ beträgt $U = 6\pi~\text{m}$. Davon ist $1,\!2 \pi~\text{m}$ genau $\frac{1}{5}$. Der maximale Winkel beträgt demnach $\frac{1}{5} \cdot 360^\circ = 72^\circ$.
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in der Schule: Hää wie funktioniert das ich versteh nix
nach dem Video: Ist eigentlich gar nicht so schwer
leider sehr unverständlich
Das beste Tutoren-Team!!!!!!!!!!!!
danke war hilfreich