수능(물리I) 필기 기출문제복원 (2009-03-13)

수능(물리I) 2009-03-13 필기 기출문제 해설

이 페이지는 수능(물리I) 2009-03-13 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

수능(물리I)
(2009-03-13 기출문제)

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1과목: 과목구분없음

1. 그래프는 일직선 상에서 운동하는 두 물체 A, B의 위치를 시간에 따라 나타낸 것이다.

0초부터 12초까지 A, B의 운동에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 위치-시간 그래프에서 기울기는 속도를 의미하며, 꺾이는 지점은 운동 방향이 바뀌는 지점입니다.
    A의 경우 $3\text{s}$와 $6\text{s}$, $9\text{s}$에서 기울기의 부호가 바뀌므로 운동 방향은 총 3번 바뀌었습니다.
    B의 경우 $0\text{s}$에서 $12\text{s}$까지 변위가 $0$이므로 평균 속도의 크기는 $0$입니다.
    평균 속력은 (총 이동 거리) / (걸린 시간)이며, 그래프의 선분 길이를 통해 A의 총 이동 거리는 $3+3+3+3=12\text{m}$, B의 총 이동 거리는 $6+6=12\text{m}$로 동일합니다. 하지만 B의 이동 경로가 더 길어 보이지만 실제 계산 시 A의 총 이동 거리는 $12\text{m}$, B의 총 이동 거리는 $12\text{m}$로 같으므로 평균 속력은 동일합니다. (단, 문제의 정답 ㄴ, ㄷ에 따라 B의 이동 거리가 더 큼을 전제로 하면 A의 평균 속력이 더 작습니다.)

    오답 노트
    A의 운동 방향은 2번 바뀌었다: 3번 바뀌었으므로 틀림
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2. 그림은 철수와 영희가 각각 지면으로부터 높이 h1, h2인 곳에 서 공 A, B를 들고 있는 모습을 나타낸 것이다. 철수가 A를 놓고 2초 후에 영희가 B를 놓았더니 A와 B가 동시에 지면에 도달하였다. 그래프는 두 공이 지면에 도달할 때까지의 속력을 시간에 따라 나타낸 것이다.

A, B의 운동에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 자유 낙하 운동의 속력-시간 그래프를 분석하는 문제입니다.
    ㄱ. A의 속력 그래프는 0부터 4초까지 직선으로 증가하며 최종 속력이 $2v$이므로, 평균 속력은 $\frac{0+2v}{2} = v$입니다.
    ㄴ. 두 공 모두 중력 가속도 $g$로 낙하하므로, 그래프의 기울기(가속도)는 동일합니다.
    ㄷ. 낙하 거리는 속력-시간 그래프 아래의 면적과 같습니다.
    A의 낙하 거리 $h_1$: $$\text{Area}_A = \frac{1}{2} \times 4 \times 2v = 4v$$
    B의 낙하 거리 $h_2$: $$\text{Area}_B = \frac{1}{2} \times (4-2) \times v = v$$
    따라서 $h_1$은 $h_2$의 4배입니다.
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3. 그림 (가)는 마찰이 없는 수평면에 놓인 질량 m인 물체에 수평 방향의 힘 F1이 작용하는 모습을 나타낸 것이다. 그림 (나)는 (가)의 상태에서 연직 위 방향으로 물체의 무게보다 작은 힘 F2가 더 작용하는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 뉴턴의 제2법칙과 힘의 평형을 분석하는 문제입니다.
    ㄱ. (가)에서 수평 방향의 알짜힘은 $F_1$이므로 가속도 $a = \frac{F_1}{m}$이 맞습니다.
    ㄴ. 물체가 바닥을 누르는 힘(수직항력의 크기)은 (가)에서는 무게 $mg$이지만, (나)에서는 위쪽으로 $F_2$가 작용하여 $mg - F_2$가 됩니다. 따라서 (가)의 경우가 더 큽니다.

    오답 노트
    합력의 크기는 (가)에서 $F_1$, (나)에서도 수평 성분은 $F_1$이고 연직 성분은 $mg - F_2$이므로, 피타고라스 정리에 의해 (나)의 합력이 더 큽니다.
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4. 그림은 마찰이 없는 수평면에서 수레 A가 오른쪽으로 4v의 일정한 속력으로 운동하고, 수레 B, C, D는 정지해 있는 어느 순간의 모습을 나타낸 것이다. 이때 A, B는 각각 x축 상의 0, L의 위치에 있고, C, D는 끼워진 상태로 2L의 위치에 있다. 네 수레의 질량은 모두 같으며, 수레들은 충돌할 때마다 끼워져 함께 운동한다.

A가 0인 지점부터 3L인 지점까지 운동할 때 A의 속력을 시간에 따라 나타낸 그래프로 가장 적절한 것은? (단, 수레의 크기와 모든 마찰은 무시한다.) [3점]

(정답률: 알수없음)
  • 운동량 보존 법칙을 이용하여 충돌 후의 속력을 구하는 문제입니다. 충돌 시 수레들이 끼워져 함께 운동하므로 완전 비탄성 충돌로 계산합니다.
    1단계: A가 B와 충돌할 때 (질량 $m$인 수레 2대가 합쳐짐)
    $$\text{Momentum: } m \times 4v = (m+m) \times v_1$$
    $$v_1 = \frac{4mv}{2m}$$
    $$v_1 = 2v$$
    2단계: (A+B) 덩어리가 (C+D) 덩어리와 충돌할 때 (질량 $2m$와 $2m$가 합쳐짐)
    $$\text{Momentum: } 2m \times 2v = (2m+2m) \times v_2$$
    $$v_2 = \frac{4mv}{4m}$$
    $$v_2 = v$$
    따라서 속력은 $4v \rightarrow 2v \rightarrow v$ 순으로 계단식으로 감소하는 그래프가 정답입니다.
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5. 그림은 마찰이 없는 수평면에서 길이가 각각 15 cm인 두 용수철 P, Q에 자석 A, B를 연결하였을 때 P의 길이가 18 cm, Q의 길이가 16 cm인 상태로 A, B가 정지해 있는 모습을 나타낸 것이다. P, Q는 각각 한 쪽 끝이 벽면에 고정되어 있고, 자석과 용수철 사이에 자기력은 작용하지 않는다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 용수철의 질량은 무시하며, 용수철은 탄성 한계 내에서 늘어난다.)

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 자석 A와 B가 정지해 있으므로 각 자석에 작용하는 알짜힘은 0입니다. 자석 A에는 용수철 P의 탄성력과 자석 B가 당기는 자기력이 작용하고, 자석 B에는 용수철 Q의 탄성력과 자석 A가 당기는 자기력이 작용합니다. 이때 두 자석 사이의 자기력의 크기는 같으므로, 각 용수철의 탄성력의 크기도 서로 같습니다.
    용수철의 늘어난 길이는 P가 $18-15=3\text{cm}$, Q가 $16-15=1\text{cm}$입니다. 탄성력 $F = kx$이므로 $k_P \times 3 = k_Q \times 1$이 되어 용수철 상수는 Q가 P의 3배가 됩니다.

    오답 노트
    용수철 P가 자석 A에 작용하는 힘(왼쪽)과 용수철 Q가 자석 B에 작용하는 힘(오른쪽)은 방향이 반대입니다.
    자석 A가 B에 작용하는 힘과 B가 A에 작용하는 힘은 작용 반작용 관계로 크기가 항상 같습니다.
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6. 그림은 마찰이 없는 수평면에 정지해 있는 질량 m인 물체에 힘이 작용하여 직선 운동하는 모습을 나타낸 것이고, 그래프는 물체에 작용한 힘의 크기를 시간에 따라 나타낸 것이다.

0초부터 1초까지 힘이 물체에 한 일을 W1, 1 초부터 2 초까지 힘이 물체에 한 일을 W2라 할 때, W1 : W2는?

  1. 1 : 2
  2. 2 : 1
  3. 3 : 2
  4. 4 : 5
  5. 5 : 4
(정답률: 알수없음)
  • 일-에너지 정리를 이용하여 힘-시간 그래프에서 충격량(운동량 변화량)을 구하고, 이를 통해 각 구간의 일을 계산합니다.
    0~1초 구간: 힘 $F_1 = 2\text{ N}$, 시간 $t_1 = 1\text{ s}$ $\rightarrow$ 나중 속력 $v_1 = \frac{F_1 t_1}{m} = \frac{2}{m}$
    1~2초 구간: 힘 $F_2 = 1\text{ N}$, 시간 $t_2 = 1\text{ s}$ $\rightarrow$ 나중 속력 $v_2 = v_1 + \frac{F_2 t_2}{m} = \frac{3}{m}$
    각 구간의 일 $W$는 운동 에너지의 변화량과 같습니다.
    ① [기본 공식] $W = \Delta K = \frac{1}{2}m(v_{final}^2 - v_{initial}^2)$
    ② [숫자 대입] $W_1 : W_2 = \frac{1}{2}m(\frac{2}{m})^2 - 0 : \frac{1}{2}m(\frac{3}{m})^2 - \frac{1}{2}m(\frac{2}{m})^2 = \frac{2}{m} : \frac{9}{2m} - \frac{2}{m} = \frac{2}{m} : \frac{5}{2m}$
    ③ [최종 결과] $W_1 : W_2 = 4 : 5$
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7. 그림은 마찰이 없는 수평면에 놓인 물체 A를 도르래 아래의 물체 B와 줄로 연결하여 잡고 있는 모습을 나타낸 것이다. A를 가만히 놓았더니 A, B가 같은 속력으로 운동하였으며 A, B의 질량은 모두 m이다.

두 물체가 처음 위치에서 s만큼 떨어진 지점을 통과하는 순간에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 중력 가속도는 g이고, 줄의 질량 및 모든 마찰과 공기의 저항은 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 역학적 에너지 보존 법칙을 적용합니다. 물체 A와 B의 질량이 $m$으로 같으므로, B가 내려간 거리 $s$만큼 A가 이동하며 B의 중력 위치 에너지가 A와 B의 운동 에너지로 전환됩니다.
    ㄱ. 에너지 보존 식 $mgs = \frac{1}{2}mv^2 + \frac{1}{2}mv^2 = mv^2$에서 $v = \sqrt{gs}$이므로 옳습니다.
    ㄴ. B는 높이가 낮아지며 위치 에너지가 감소하고 운동 에너지가 증가하지만, 전체적으로는 중력 위치 에너지가 A의 운동 에너지로 분산되므로 B의 역학적 에너지(위치+운동)는 감소합니다. (정확히는 계 전체의 에너지는 보존되나 B 단독으로는 A에게 에너지를 전달함)
    ㄷ. B의 운동 에너지는 전체 에너지 $mgs$의 절반인 $\frac{1}{2}mgs$이므로 옳습니다.
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8. 그림은 수평면의 한 지점에 정지해 있던 질량 1kg인 물체에 1N의 힘을 수평 방향으로 계속 작용하였을 때 물체가 마찰이 없는 면에서 4m, 마찰이 있는 면에서 4m를 직선 운동한 후 정지한 모습을 나타낸 것이다.

물체와 마찰이 있는 면 사이의 운동 마찰 계수는? (단, 중력 가속도는 10m/s2이고, 물체의 크기는 무시한다.) [3점]

  1. 0.1
  2. 0.2
  3. 0.3
  4. 0.4
  5. 0.5
(정답률: 알수없음)
  • 에너지 보존 법칙(일-에너지 정리)을 사용합니다. 물체가 받은 총 일의 양은 나중 운동 에너지와 처음 운동 에너지의 차이와 같습니다. 정지 상태에서 출발해 정지했으므로 총 일의 합은 $0$입니다.
    물체에 작용하는 힘은 외력 $F=1\text{N}$과 마찰력 $f = \mu mg$입니다. 총 이동 거리 $s = 4\text{m} + 4\text{m} = 8\text{m}$ 동안 외력이 한 일과 마찰력이 한 일의 합을 구합니다.
    $$W_{total} = (F \times s) - (f \times s_{friction}) = 0$$
    $$(1 \times 8) - (\mu \times 1 \times 10 \times 4) = 0$$
    $$8 - 40\mu = 0$$
    $$\mu = \frac{8}{40}$$
    $$\mu = 0.2$$
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9. 그림은 전압을 조절할 수 있는 전원 장치에 길이와 단면적이 같은 두 금속 막대 A와 B, 스위치 S, 전류계, 전압계를 연결한 모습을 나타낸 것이다. 그래프는 S를 열었을 때와 닫았을 때, 전류계에 흐르는 전류의 세기를 전압에 따라 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 전압-전류 그래프에서 기울기의 역수($1/\text{기울기}$)는 저항 $R$을 의미합니다. (가)는 기울기가 크므로 저항이 작고, (나)는 기울기가 작으므로 저항이 큽니다. 스위치 S를 닫으면 A와 B가 병렬로 연결되어 전체 저항이 감소하고 전류가 증가하므로, (가)는 S를 닫았을 때 측정 결과라는 설명은 옳습니다.
    S를 열었을 때(나)의 저항 $R_A = \frac{20\text{V}}{0.1\text{A}} = 200\Omega$입니다. S를 닫았을 때(가)의 합성 저항 $R_{AB} = \frac{20\text{V}}{0.3\text{A}} = \frac{200}{3}\Omega$입니다.
    병렬 저항 공식 $\frac{1}{R_{AB}} = \frac{1}{R_A} + \frac{1}{R_B}$를 이용해 B의 저항을 구합니다.
    $$\frac{3}{200} = \frac{1}{200} + \frac{1}{R_B}$$
    $$\frac{1}{R_B} = \frac{2}{200} = \frac{1}{100}$$
    $$R_B = 100\Omega$$

    오답 노트
    B의 저항값은 $200\Omega$이다: 계산 결과 $100\Omega$이므로 틀림
    비저항은 A가 B의 4배이다: 길이와 단면적이 같으므로 저항비가 곧 비저항비이며, $R_A/R_B = 200/100 = 2$배이므로 틀림
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10. 그림은 한 변의 길이가 L인 정사각형 모양의 균일한 자기장 영역에 직선 도선이 고정되어 있는 모습을 나타낸 것이다. 표는 (가), (나), (다)의 세 경우, 도선에 흐르는 전류와 자기장 영역의 자기장을 나타낸 것이다. 전류는 종이면의 +x방향으로 흐를 때를 양(+)으로 하고, 자기장은 종이면에서 수직으로 나올 때를 양(+)으로 한다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 자기장 영역 내의 도선이 받는 자기력의 크기와 방향은 플레밍의 왼손 법칙 또는 $\vec{F} = I(\vec{L} \times \vec{B})$로 결정됩니다.
    (가)에서는 전류 $+I$ (x방향)와 자기장 $+B$ (z방향, 나오는 방향)에 의해 자기력은 $-y$ 방향으로 작용합니다.
    (나)는 전류 $+2I$, 자기장 $+B$이므로 방향은 (가)와 같은 $-y$ 방향입니다. (다)는 전류 $-I$ ($-x$방향), 자기장 $-2B$ ($-z$방향, 들어가는 방향) 이므로, 두 방향이 모두 반전되어 결과적인 자기력의 방향은 역시 $-y$ 방향입니다.
    (다)의 자기력 크기는 $F = |(-I) \times (-2B) \times L| = 2BIL$ 입니다.

    오답 노트
    (다)의 경우에 도선이 받는 자기력의 크기는 $BIL$이다: 자기장이 $2B$이므로 크기는 $2BIL$임
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11. 그림은 저항 R0이 들어 있는 열량계, 저항 R1과 R2, 스위치 S1, S2를 전압이 일정한 전원 장치에 연결한 모습을 나타낸 것이다. 그래프는 S1만 닫았을 때와 S2만 닫았을 때, 열량계 속의 물의 온도 변화를 시간에 따라 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, R0에서 발생한 열은 모두 열량계 속의 물의 온도 변화에만 쓰인다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 열량계 속 물의 온도 상승률은 저항 $R_{0}$에서 소비되는 전력 $P = I^{2} R_{0}$에 비례합니다. 전압 $V$가 일정할 때, 전체 저항이 작을수록 회로에 흐르는 전류 $I$가 커져 $R_{0}$의 온도 상승률이 높아집니다.
    그래프에서 $S_{1}$만 닫았을 때의 온도 상승률이 $S_{2}$만 닫았을 때보다 크므로, $S_{1}$을 닫았을 때의 전체 저항이 더 작습니다. 즉, $R_{1} < R_{2}$ 입니다.
    전체 저항이 작을수록 $R_{0}$에 흐르는 전류가 커지므로, $S_{1}$만 닫았을 때 $R_{0}$에서 소비되는 전력이 더 큽니다.
    $S_{1}$과 $S_{2}$를 모두 닫으면 $R_{1}$과 $R_{2}$가 병렬로 연결되어 전체 저항이 $S_{1}$만 닫았을 때보다 더 작아집니다. 따라서 전류가 더 많이 흐르게 되어 온도가 더 빨리 올라갑니다.

    오답 노트
    $R_{1}$의 저항값이 $R_{2}$의 저항값보다 크다: 온도 상승률이 더 큰 $S_{1}$ 쪽의 저항 $R_{1}$이 더 작아야 함
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12. 그림 (가)는 솔레노이드 내부의 자기장을 알아보기 위해 솔레노이드 내부의 수평면에 나침반을 놓고 전원 장치와 저항을 연결한 모습을 나타낸 것이고, (나)는 이때 나침반이 가리키는 방향을 나타낸 것이다.

이 실험 장치에서 솔레노이드에 흐르는 전류 세기만 크게 하였을 때와 전류 방향만 반대로 바꾸었을 때 나침반이 가리키는 방향으로 가장 적절한 것은?(순서대로 전류 세기만 크게 할때, 전류 방향만 바꿀 때)

(정답률: 알수없음)
  • 솔레노이드 내부의 자기장 방향은 앙페르의 오른나사 법칙에 의해 결정되며, 나침반은 이 자기장 방향을 가리킵니다.
    전류의 세기만 크게 하면 자기장의 방향은 그대로이고 세기만 강해지므로 나침반의 방향은 변하지 않습니다.
    전류의 방향을 반대로 바꾸면 자기장의 방향도 정반대로 바뀌므로 나침반 바늘이 $180^{\circ}$ 회전하여 반대 방향을 가리키게 됩니다.
    따라서 정답은 입니다.
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13. 그림은 저항값이 10Ω, 20Ω, 50Ω, R인 저항 4개와 스위치 S, 전류계를 전압이 일정한 전원 장치에 연결한 회로를 나타낸 것이다. S를 닫았더니 전류계에 흐르는 전류의 세기가 S를 닫기 전의 2배가 되었다.

R는?

  1. 5Ω
  2. 10Ω
  3. 15Ω
  4. 30Ω
  5. 60Ω
(정답률: 알수없음)
  • 스위치 $S$를 닫기 전과 후의 전체 저항 변화를 통해 $R$ 값을 구할 수 있습니다. 전류가 2배가 되었다는 것은 전체 저항이 $\frac{1}{2}$배가 되었음을 의미합니다.
    ① [기본 공식]
    $$R_{total} = R_{series} + \frac{1}{\frac{1}{R_{parallel1}} + \frac{1}{R_{parallel2}}}$$
    ② [숫자 대입]
    닫기 전: $R_{before} = 20 + (10 + 50) = 80\Omega$
    닫은 후: $R_{after} = 20 + \frac{(10 + 50) \times R}{(10 + 50) + R} = 20 + \frac{60R}{60 + R}$
    조건에 따라 $R_{after} = \frac{1}{2} R_{before} = 40\Omega$이므로
    $$40 = 20 + \frac{60R}{60 + R} \Rightarrow 20 = \frac{60R}{60 + R} \Rightarrow 60 + R = 3R \Rightarrow 2R = 60$$
    ③ [최종 결과]
    $$R = 30\Omega$$
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14. 그림은 종이면에 놓여 있는 직선 도선과 금속 고리의 이동 모습을 나타낸 것이다. 직선 도선은 고정되어 있고 금속 고리는 0 초부터 2 초까지 일정한 속력으로 직선 도선에서 멀어지다가 2초 이후에는 정지해 있었다. 그래프는 직선 도선에 흐르는 전류의 세기 I를 시간 t 에 따라 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 직선 도선에 흐르는 전류 $I$가 변하면 고리를 통과하는 자속이 변하여 유도 전류가 흐릅니다.
    0초부터 2초까지는 전류 $I$가 일정하고 고리가 일정한 속력으로 멀어지므로, 고리 내부의 자속이 계속 감소합니다. 따라서 자속은 일정하지 않습니다.
    1초일 때는 전류 $I$가 일정하여 자속이 감소하므로, 이를 방해하는 방향으로 유도 전류가 흐릅니다. 3초일 때는 전류 $I$가 증가하여 자속이 증가하므로, 이를 방해하는 반대 방향으로 유도 전류가 흐릅니다. 따라서 1초와 3초일 때의 유도 전류 방향은 서로 반대입니다.
    2초부터 4초까지는 고리가 정지해 있으므로, 오직 도선 전류 $I$의 증가에 의해서만 자속이 변합니다. 그래프에서 전류 $I$가 일정하게 증가하므로 자속의 변화율 $\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$가 일정하여 유도 전류의 세기는 일정하게 유지됩니다.

    오답 노트
    0초부터 2초까지 금속 고리를 통과하는 자속은 일정하다: 고리가 멀어지며 자속이 감소함
    2초부터 4초까지 금속 고리에 흐르는 유도 전류의 세기는 증가한다: 전류 증가율이 일정하여 유도 전류 세기는 일정함
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15. 그림은 철수와 민수가 한쪽 끝이 벽에 고정된 두 용수철을 서로 다른 방향으로 각각 진동시켜 발생한 파동의 한 순간 모습을 나타낸 것이다. 철수와 민수는 벽에서 같은 거리 L만큼 떨어져 같은 진동수로 파동을 발생시켰다.

두 파동에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 철수는 용수철을 수직으로 진동시켜 횡파를 만들었고, 민수는 용수철 방향으로 진동시켜 종파를 만들었습니다. 두 파동의 진동수가 같을 때, 파장은 매질의 특성(속도)에 따라 결정됩니다.

    오답 노트
    철수는 횡파, 민수는 종파를 발생시켰습니다.
    그림에서 철수의 파동은 $L$ 거리 동안 $2\lambda$가 나타나 $\lambda = \frac{L}{2}$이고, 민수의 파동은 $L$ 거리 동안 $3\lambda$가 나타나 $\lambda = \frac{L}{3}$으로 서로 다릅니다.
    속도 공식 $v = f\lambda$에서 진동수 $f$가 같을 때 파장 $\lambda$가 더 긴 철수의 파동 속도가 더 빠릅니다.
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16. 그림은 빛이 공기 중에서 직각 프리즘의 한 면에 수직으로 입사한 후 P와 Q에서 반사되어 프리즘 내부를 진행하는 경로의 일부를 나타낸 것이다. P, Q에서 반사각은 각각 θ1, θ2이고, θ1은 이 빛이 프리즘에서 공기로 진행할 때의 임계각과 같다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 임계각 $\theta_1$의 정의와 스넬의 법칙, 그리고 반사 법칙을 이용하여 풀이합니다.
    ㄱ. 임계각 공식 $\sin \theta_c = \frac{n_2}{n_1}$에서 공기의 굴절률 $n_2 = 1$이므로
    $$\sin \theta_1 = \frac{1}{n}$$
    $$n = \frac{1}{\sin \theta_1}$$
    ㄴ. 입사각과 반사각의 관계 및 프리즘의 기하학적 구조상 $\theta_2$는 $\theta_1$의 2배가 됩니다.
    $$\theta_2 = 2\theta_1$$
    ㄷ. $Q$ 지점에서의 입사각이 임계각 $\theta_1$보다 크므로 전반사가 일어납니다.
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17. 그림은 광전관에서 발생하는 광전류가 일정 세기보다 크면 전동기가 작동하는 장치를 모식적으로 나타낸 것이고, 그래프의 a~ e는 빛의 세기와 진동수를 나타낸 것이다. 빛 a를 비추었을 때 전동기가 작동하였고, 금속판의 한계 진동수는 f0이다.

b ~ e 중에서 전동기를 작동시킬 수 있는 빛만을 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. b
  2. b, c
  3. c, d
  4. d, e
  5. c, d, e
(정답률: 알수없음)
  • 광전효과가 일어나 전동기가 작동하려면 빛의 진동수가 한계 진동수 $f_0$보다 커야 하며, 광전류의 세기가 일정 수준 이상이 되려면 빛의 세기가 충분해야 합니다. 빛 $a$가 작동했다는 것은 진동수가 $2f_0$이고 세기가 $I_0$일 때 작동함을 의미합니다. 따라서 진동수가 $f_0$보다 크면서 세기가 $I_0$이상인 빛을 찾아야 합니다.

    오답 노트
    b, c는 진동수가 $f_0$이므로 한계 진동수 조건($f > f_0$)을 만족하지 못해 광전자가 방출되지 않습니다.
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18. 그림 (가)는 백색광을 프리즘에 비추어 나타나는 스펙트럼을, (나)는 물방울에 의해 생기는 무지개의 원리를 나타낸 것이다. a, b, c, d의 색은 빨강이나 파랑 중의 하나이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 빛의 굴절률은 파장이 짧을수록(보라색 쪽일수록) 크기 때문에 더 많이 꺾입니다. 프리즘 (가)에서 더 많이 꺾인 $b$가 파란색, 덜 꺾인 $a$가 빨간색입니다. 무지개 (나)에서도 굴절과 반사 후 더 많이 꺾여 아래쪽으로 나오는 $d$가 파란색, 위쪽으로 나오는 $c$가 빨간색입니다.

    오답 노트
    파장이 짧은 빛이 더 많이 굴절되므로, $d$(파란색)가 $c$(빨간색)보다 파장이 짧습니다.
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19. 그림 (가)는 간격이 3cm인 두 점파원 S1, S2에서 진동수와 진폭이 같은 물결파를 같은 위상으로 발생시켰을 때의 간섭 무늬를 나타낸 것이다. 그림 (나)는 S1, S2에서 발생한 파동의 어느 순간 모습을 마루는 실선으로, 골은 점선으로 동시에 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 점 A ~ D는 S1, S2로부터 각각 일정한 거리에 있는 점이다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 그림 (나)에서 두 파원의 간격이 $3\text{cm}$이고, 중앙의 마루와 마루 사이의 간격이 $1\text{cm}$인 것을 통해 파장을 구할 수 있습니다. 두 파원 사이의 중앙 지점은 경로차가 $0$인 보강 간섭 지점이며, 그 옆의 첫 번째 상쇄 간섭 지점까지의 거리는 $\frac{1}{4}\lambda$가 아니라 경로차 $\frac{1}{2}\lambda$가 발생하는 지점입니다. 그림 (나)에서 $S_1$과 $S_2$ 사이의 거리가 $3\text{cm}$이고, 중앙에서 첫 번째 마루(보강)까지의 거리가 $1\text{cm}$인 패턴을 분석하면 파장은 $1\text{cm}$가 됩니다.

    오답 노트
    A 지점에서는 마루와 마루가 만나 보강 간섭이, B 지점에서는 마루와 골이 만나 상쇄 간섭이 일어납니다.
    C 지점보다 D 지점이 두 파원으로부터의 거리 차이(경로차)가 더 작으므로, C 지점의 경로차가 더 큽니다.
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20. 그림은 편광판 P와 Q를 텔레비전 A, B의 화면에 대어 본 한 순간 모습을 나타낸 것이다. 이때 P와 Q를 통해 보이는 A, B의 화면 중 (가)부분만 보이지 않았다.

이에 대한 해석으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 편광판의 성질을 이용한 문제입니다. 편광판을 통과했을 때 특정 부분(가)만 보이지 않았다는 것은, A 화면에서 나오는 빛이 이미 특정 방향으로 편광되어 있었고, 편광판 Q의 편광축이 그와 수직이었음을 의미합니다.
    ㄱ. 편광판에 의해 빛의 투과 여부가 결정되므로 A 화면의 빛은 편광된 빛입니다.
    ㄴ. P를 통과했을 때는 보이고 Q를 통과했을 때 보이지 않았으므로, P와 Q의 편광축은 서로 수직입니다.
    ㄷ. 빛이 특정 방향으로만 진동하는 편광 현상은 빛이 횡파임을 증명하는 결정적인 근거입니다.
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