Worum geht es?
Eine Kugel mit Mittelpunkt und Radius besteht aus allen Punkten , die von den Abstand haben: . Quadriert ergibt das die Kugelgleichung in Vektor- und in Koordinatenform:
Für und lautet sie .
Punktprobe: Man setzt einen Punkt in die linke Seite ein und vergleicht mit . Kleiner heißt innerhalb, gleich heißt auf der Kugel, größer heißt außerhalb. Beispiel: ergibt , also liegt außerhalb.
Kugel und Ebene: Entscheidend ist der Abstand des Mittelpunkts von der Ebene (Hessesche Normalform):
- : kein gemeinsamer Punkt,
- : berührt in genau einem Punkt (Tangentialebene),
- : schneidet in einem Schnittkreis. Sein Mittelpunkt ist der Lotfußpunkt von auf , sein Radius folgt aus dem Satz des Pythagoras: . Geht durch , ist der Schnittkreis ein Großkreis mit .
Kugel und Gerade: Man setzt in die Kugelgleichung ein und erhält eine quadratische Gleichung . Ihre Diskriminante entscheidet: Sekante (zwei Schnittpunkte), Tangente (ein Berührpunkt), Passante (kein gemeinsamer Punkt).
Tangentialebene: In einem Punkt der Kugel steht die Tangentialebene senkrecht auf dem Radius . Dieser Vektor ist also ein Normalenvektor:
Ausprobieren
- Ziehe den Punkt durch den Raum und beobachte die Punktprobe in der Tafel. Wann wird aus „“ ein „“? Punkt auf K
- Ziehe den Mittelpunkt und den Radius (Griff rechts unten an der Kugel). Wie ändert sich die Koordinatenform?
- Wähle „Kugel und Ebene“ und tippe auf Ebene durch die Kugel schieben. Der Schnittkreis wächst bis zum Großkreis und schrumpft wieder zu einem Punkt. Ebene laden
- Lege die Ebene durch den Mittelpunkt. Wie groß ist ? Großkreis
- Verschiebe bei „Kugel und Gerade“ die Gerade -parallel immer weiter nach außen: Sekante, Tangente, Passante. Achte auf das Vorzeichen von . Tangente · Passante
- Ziehe bei „Tangentialebene“ den Punkt über die Kugel. Der rechte Winkel zwischen und der Ebene bleibt immer erhalten. Tangentialebene
- Starte den Rundflug: Erst von allen Seiten sieht man, dass der Schnittkreis wirklich in der Ebene liegt.
Aufgaben
Aufgabe 1: Punktprobe
Gegeben ist die Kugel mit und . Stelle zuerst selbst die Kugelgleichung auf (die Simulation zeigt sie zur Kontrolle) und prüfe dann, ob , und innerhalb, auf oder außerhalb von liegen. Aufgabe laden
Aufgabe 2: Schnittkreis
Die Ebene schneidet . Berechne Mittelpunkt und Radius des Schnittkreises. Aufgabe laden
Lösung anzeigen
, also Schnittkreis. Der Lotfußpunkt liegt senkrecht über : . Radius . In der Simulation zeigen
Aufgabe 3: Berührende Ebenen
Für welche Werte von berührt die Ebene die Kugel ? Gib die Berührpunkte an. Aufgabe laden
Lösung anzeigen
Berühren heißt , also oder . Berührpunkte und – der „Nordpol“ und der „Südpol“ der Kugel. c = 6 · c = 0
Aufgabe 4: Gerade durch die Kugel
Bestimme die gemeinsamen Punkte von und . Aufgabe laden
Lösung anzeigen
Einsetzen: , also bzw. . : Sekante. , , Schnittpunkte und . In der Simulation zeigen
Aufgabe 5: Tangentialebene
Zeige, dass auf liegt, und bestimme die Tangentialebene in in Koordinatenform. Aufgabe laden
Lösung anzeigen
Punktprobe: ✓. Normalenvektor , also mit : . In der Simulation zeigen
Aufgabe 6: Schräge Ebene
Untersuche die Lage von zur Kugel und berechne gegebenenfalls Mittelpunkt und Radius des Schnittkreises. Aufgabe laden
Lösung anzeigen
: Schnittkreis mit . Lotgerade in einsetzen: , , also . In der Simulation zeigen
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Oberstufe, analytische Geometrie: die Kugel mit Kugelgleichung, Lage zu Ebenen und Geraden und Tangentialebene – Umfang und Gewichtung unterscheiden sich je nach Lehrplan. Geeignet als Einstieg (Kugel als Punktmenge) und zur Übung.
- Verbindung zu Bekanntem: Die Kugelgleichung ist der räumliche Abstand – wie die Kreisgleichung in der Ebene. Der Schnittkreis greift den Abstand Punkt–Ebene und den Satz des Pythagoras auf.
- Animation als Gesprächsanlass: Beim Durchschieben der Ebene kann die Klasse vorher vermuten, wie von abhängt (kein linearer Zusammenhang, sondern ein Viertelkreis).
- Häufige Stolpersteine:
- In der Kugelgleichung werden die Vorzeichen verwechselt: Zu gehört .
- Rechts steht , nicht – die Punktprobe vergleicht mit .
- Als Radius des Schnittkreises wird oder angegeben statt .
- Beim Abstand Punkt–Ebene wird vergessen, durch zu teilen.
- Bei der Tangentialebene wird statt als Normalenvektor genommen.