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Originalprüfung 2014 Analytische Geometrie, Teil B, A1


Aufgabe

In einem kartesischen Koordinatensystem legen die Punkte \(A \left(4|0|0\right)\), \(B \left(0|4|0\right)\) und \(C \left(0|0|4\right)\) das Dreieck \(ABC\) fest, das in der Ebene \(E: x_1+x_2+x_3=4\) liegt.

  1. Bestimmen Sie den Flächeninhalt des Dreiecks \(ABC\).

Das Dreieck \(ABC\) stellt modellhaft einen Spiegel dar. Der Punkt \(P \left(2|2|3\right)\) gibt im Modell die Position einer Lichtquelle an, von der ein Lichtstrahl ausgeht. Die Richtung dieses Lichtstrahls wird im Modell durch den Vektor \(\overrightarrow{v}= \left(\begin{array}{c}-1\\ -1\\-4\end{array}\right)\) beschrieben.

  1. Geben Sie eine Gleichung der Geraden \(g\) an, entlang derer der Lichtstrahl im Modell verläuft. Bestimmen Sie die Koordinaten des Punktes \(R\), in dem \(g\) die Ebene \(E\) schneidet, und begründen Sie, dass der Lichtstrahl auf dem dreieckigen Spiegel auftritt.
    [Zur Kontrolle: \(R \left(1{,}5|1{,}5|1\right)\)]

Der einfallende Lichtstrahl wird in demjenigen Punkt des Spiegels reflektiert, der im Modell durch den Punkt \(R\) dargestellt wird. Der reflektierte Lichtstrahl geht für einen Beobachter scheinbar von einer Lichtquelle aus, deren Position im Modell durch den Punkt \(Q \left(0|0|1\right)\) beschrieben wird (vgl. Abbildung).

Originalprüfung 2014 Analytische Geometrie, Teil B, A1 - Abbildung 1

  1. Zeigen Sie, dass die Punkte \(P\) und \(Q\) bezüglich der Ebene \(E\) symmetrisch sind.

Das Lot zur Ebene \(E\) im Punkt \(R\) wird als Einfallslot bezeichnet.

  1. Die beiden Geraden, entlang derer der einfallende und der reflektierte Lichtstrahl im Modell verlaufen, liegen in einer Ebene \(F\). Ermitteln Sie eine Gleichung von \(F\) in Normalform. Weisen Sie nach, dass das Einfallslot in der Ebene liegt.
    [Mögliches Teilergebnis: \(F: x_1- x_2=0\)]
  2. Zeigen Sie, dass die Größe des Winkels \(\beta\) zwischen reflektiertem Lichtstrahl und Einfallslot mit der Größe des Winkels \(\alpha\) zwischen einfallendem Lichtstrahl und Einfallslot übereinstimmt.
  • Punkte:  20
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