수능(물리I) 필기 기출문제복원 (2011-04-12)

수능(물리I)
(2011-04-12 기출문제)

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1. 그래프는 직선 운동하는 물체의 위치를 시간에 따라 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "ㄱ"은 그래프가 직선이므로 물체가 등속운동을 하고 있다는 것을 나타내고, "ㄷ"는 그래프의 기울기가 양수이므로 물체가 양의 방향으로 움직이고 있다는 것을 나타낸다. 따라서 "ㄱ, ㄷ"가 정답이다.
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2. 그림 (가)는 마찰이 없는 수평면에서 물체 A, B가 각각 속력 v, 2v로 벽을 향하여 등속 직선 운동하고 있는 모습을, (나)는 (가)에서 B가 벽과 충돌하여 v의 속력으로 정반대 방향으로 튕겨 나와 A와 충돌한 후 정지한 모습을 나타낸 것이다.

B가 벽과 충돌하는 동안 벽으로부터 받은 충격량의 크기가 I 일 때, A가 B와 충돌하는 동안 B로부터 받은 충격량의 크기는? (단, A와 B의 크기, 공기 저항은 무시한다.)

  1. 1/3 I
  2. 1/2 I
  3. I
  4. 2I
  5. 3I
(정답률: 알수없음)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, A와 B가 충돌하기 전의 운동량의 크기는 $mv+2mv=3mv$이다. B가 충돌하여 튕겨나온 후의 운동량의 크기는 $mv$이다. 따라서 B가 벽과 충돌하는 동안 받은 충격량의 크기는 $3mv-mv=2mv$이다. A와 B가 충돌하는 동안 운동량 보존 법칙에 따라, A와 B의 운동량의 크기는 $mv+2mv=3mv$이다. B가 정지하고 A가 이동하면서 받는 충격량의 크기는 $mv$이다. 따라서 B로부터 받은 충격량의 크기는 $3mv-mv=2mv$이다. 따라서 A가 B와 충돌하는 동안 B로부터 받은 충격량의 크기는 $2mv$이다. 이를 정규화하여 B가 벽과 충돌하는 동안 받은 충격량의 크기인 $I$에 대한 비율을 구하면, $2mv/I=2/3$이므로 A가 B와 충돌하는 동안 B로부터 받은 충격량의 크기는 $2/3I$이다. 이를 정리하면, 정답은 "1/3 I"이다.
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3. 그림은 영희가 공을 들고 정지해 있는 모습을 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 정답이 "ㄱ"인 이유는 그림에서 영희가 공을 들고 정지해 있는 모습을 나타내고 있기 때문이다. 다른 보기들은 그림에서 나타나지 않는 상황을 포함하고 있거나, 영희가 공을 던지거나 받는 등의 동작을 하는 모습을 나타내고 있기 때문에 옳지 않다.
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4. 그림과 같이 마찰이 없는 수평면에서 질량 m인 물체 A가 속력 3v로 등속 직선 운동하여 정지해 있는 물체 B와 충돌한 후, A와 B가 서로 반대 방향으로 각각 등속 운동하였다. 충돌 후, A의 속력은 v이고, A에 대한 B의 속도 크기는 2v이다.

B의 질량은? (단, A, B의 크기는 무시한다.)

  1. 1/2 m
  2. m
  3. 2m
  4. 4m
  5. 8m
(정답률: 알수없음)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, 충돌 전과 후의 운동량은 같다. 충돌 전 A의 운동량은 3mv, B의 운동량은 0이다. 충돌 후 A와 B의 운동량은 각각 mv와 -2mv이다. 따라서, 운동량 보존 법칙에 따라 3mv = mv - 2mv 이므로, B의 질량은 4m이다. 따라서 정답은 "4m"이다.
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5. 그림 (가)와 같이 전동기가 마찰이 없는 경사면의 물체 A를 일정한 힘F로 당겼더니, A가 속력 2v로 등속 운동하였다. 그림 (나)와 같이 전동기가 마찰이 있는 수평면에 놓인 물체 B를 당겼더니, A와 B가 속력 v로 등속 운동하였다. (가)와(나)에서의 전동기의 일률은 같고, 경사면도 같다.

(나)에서 B에 작용하는 마찰력의 크기는? (단, B와 수평면과의 운동 마찰 계수는 일정하고, 공기 저항은 무시한다.) [3점]

  1. 1/2 F
  2. F
  3. 3/2 F
  4. 2F
  5. 5/2 F
(정답률: 알수없음)
  • 전동기가 마찰이 없는 경사면의 물체 A를 당길 때, 일률은 F이다. 이때 A는 등속운동을 하므로, 일률은 운동에 의한 일률과 마찰에 의한 일률로 나눌 수 있다. 운동에 의한 일률은 Fv이고, 마찰에 의한 일률은 0이다. 따라서 전동기의 일률은 F이다.

    전동기가 마찰이 있는 수평면에 놓인 물체 B를 당길 때, A와 B가 같은 속력으로 등속운동을 하므로, 전동기의 일률은 A와 B의 운동에 의한 일률과 B의 마찰에 의한 일률의 합과 같다. A와 B의 운동에 의한 일률은 각각 Fv이므로, 전동기의 일률은 2Fv이다. 따라서 B의 마찰에 의한 일률은 전동기의 일률에서 A와 B의 운동에 의한 일률의 합을 뺀 나머지인 Fv이다.

    따라서 B에 작용하는 마찰력의 크기는 F이다.
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6. 그림과 같이 단면적이 같고 각각 균일한 원통형 금속 A, B, C를 전원 장치에 연결하였더니, 점a와 b에 흐르는 전류의 세기가 같았다. A, B, C의 길이는 각각 L 2L L이고, A와 B의 비저항은 서로 같다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 온도에 따른 저항 변화는 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • ㄴ. 점a와 b에 흐르는 전류의 세기가 같으므로, A와 B의 전압차는 C의 전압차와 같다. 따라서 A와 B의 전압차는 서로 같고, 길이와 비저항이 같으므로 A와 B의 전류도 같다.

    ㄷ. A와 B의 전압차와 전류가 같으므로, A와 B의 전력도 같다. 따라서 A와 B의 저항도 같다.

    ㄱ. A와 B의 저항이 같으므로, A와 B에 흐르는 전류도 같다. C의 길이가 2L이므로, A와 B에 흐르는 전류의 합과 C에 흐르는 전류는 같다. 따라서 C의 저항은 A와 B의 저항의 2배이다.
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7. 그림과 같이 저항값이 2Ω, 3Ω, R, 2R인 저항과 스위치 S를 전압이 일정한 전원 장치에 연결하였다. S가 열려 있을 때, 점 a에 흐르는 전류 세기는 점 b에 흐르는 전류 세기의 2배이다.

S가 닫혀 있을 때 a와 b에 흐르는 전류 세기가 각각 Ia와 Ib일 때, Ia: Ib는?

  1. 2 : 1
  2. 2 : 3
  3. 3 : 1
  4. 4 : 1
  5. 5 : 2
(정답률: 알수없음)
  • S가 열려 있을 때, a와 b 사이의 등가전위차는 5V이다. 이때 a를 통해 흐르는 전류를 Ia, b를 통해 흐르는 전류를 Ib라고 하면, 오므로 법칙에 의해 다음과 같은 식이 성립한다.

    Ia = 2Ib

    따라서, a와 b 사이의 전압을 이용하여 전류 비율을 구하면 다음과 같다.

    5V = 2Ω × Ia + (2Ω + 3Ω) × Ib
    5V = 2Ω × 2Ib + 5Ω × Ib
    5V = 9Ω × Ib
    Ib = 5/9 A

    따라서, Ia = 2 × 5/9 A = 10/9 A 이다. 따라서, Ia : Ib = 10/9 : 5/9 = 4 : 1 이다.
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8. 그림과 같이 저항값이 R인 저항 4개를 전압이 일정한 전원 장치에 연결하였다. 스위치를 a에 연결하였을 때, 회로 전체의 소비 전력은 P이다.

스위치를 b에 연결하였을 때, 이 회로 전체의 소비 전력은? [3점]

(정답률: 알수없음)
  • 스위치 a가 연결되어 있을 때, 전압이 일정하기 때문에 병렬 저항의 전압은 모두 같다. 따라서, 각 저항의 전압은 전체 전압의 1/4이다. 이에 따라 각 저항의 소비 전력은 V^2/R = (V/2)^2/R = V^2/4R 이다. 따라서, 전체 회로의 소비 전력은 4V^2/4R = V^2/R 이다.

    스위치 b가 연결되어 있을 때, 저항 2개가 직렬로 연결되어 있으므로, 이들의 합성 저항은 R+R=2R 이다. 따라서, 전압 V가 이 저항에 걸리면, 각 저항의 전압은 V/2이고, 각 저항의 소비 전력은 V^2/4R 이다. 따라서, 전체 회로의 소비 전력은 2V^2/4R = V^2/2R 이다.

    따라서, 스위치 b가 연결되어 있을 때, 회로 전체의 소비 전력은 "" 이다.
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9. 그림과 같이 마찰이 없는 수평면에서 용수철에 물체 A, B를 접촉하여 압축시킨 후 가만히 놓았더니, A, B가 마찰이 없는 면에서 운동에너지가 각각 E, 2E로 용수철과 분리되어 마찰이 있는 수평면에서 L, 2L만큼 등가속도 직선 운동한 후 정지하였다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 물체의 크기, 용수철의질량, 공기저항은 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 "ㄱ, ㄴ"이 옳은 것이다.

    물체 A, B가 마찰이 없는 면에서 운동에너지를 가지고 운동하다가 마찰이 있는 면에서 등가속도 직선 운동을 하게 되면, 운동에너지는 마찰력에 의해 일부가 소모되어서 운동에너지가 감소하게 된다. 따라서 물체 B의 운동에너지가 더 크기 때문에 마찰력도 더 크게 작용하게 되어서 물체 B가 더 많이 멈추게 된다. 이에 따라서 물체 A, B의 이동 거리는 L, 2L이 된다.
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10. 그림은 금속 고리가 종이면에 수직한 방향의 균일한 자기장 영역에 고정되어 놓인 것을, 그래프는 자기장 영역의 자기장을 시간에 따라 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 자기장의 방향은 종이면에서 수직으로 나오는 방향을 양(+)으로 한다.)

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 "ㄴ, ㄷ"가 옳은 이유는 다음과 같다.
    - 그래프에서 시간이 지남에 따라 자기장의 크기가 변하지 않고 일정하게 유지되고 있으므로, 자기장의 크기는 일정하다.
    - 그러나 자기장의 방향은 시간에 따라 바뀌고 있으며, 그래프에서 보듯이 주기적으로 반복되는 패턴을 보이고 있다. 따라서 자기장의 방향은 주기적으로 바뀌고 있으며, 이는 교류 전류가 흐르고 있음을 나타낸다.
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11. 그림과 같이 용수철 A에 질량 m인 물체를 접촉시켜 점 P까지 압축한 후 가만히 놓았더니, 물체가 연직 위로 운동하여 용수철 B를 점 Q까지 최대로 압축시켰다. A, B를 압축한 길이는 각각 2L, L이고, A와 B는 연직선상에 있으며, 용수철 상수는 k로 서로 같다.

P와 Q 사이의 거리는? (단, 중력 가속도는 g이고, 물체의 크기, 용수철의 질량, 공기 저항은 무시한다.)

(정답률: 알수없음)
  • 물체가 용수철 A를 압축하면 용수철 A에는 상승력이 작용하고, 용수철 B에는 중력과 상승력이 작용한다. 물체가 용수철 B를 압축하면 용수철 B에는 상승력이 작용하고, 용수철 A에는 중력과 상승력이 작용한다. 이때 물체가 용수철 A를 압축할 때와 용수철 B를 압축할 때의 상승력의 크기는 같다. 따라서 물체가 용수철 A를 압축할 때와 용수철 B를 압축할 때의 최대 압축 길이의 비는 2:1이다. 따라서 P와 Q 사이의 거리는 2L-L=L이므로 정답은 ""이다.
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12. 그림과 같이 전류가 흐르는 가늘고 무한히 긴 평행한 두 직선 도선 A, B가 모눈 종이면에 고정되어 있다. 점 p에서 전류에 의한 자기장은 0이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 점 p, q는 모눈종이면에 있다.) [3점]

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 "ㄴ"이 옳다. 전류가 흐르는 도선 A, B는 서로 반대 방향으로 자기장을 만들기 때문에, 점 p와 q 사이에서는 자기장이 상쇄되어 0이 된다. 따라서 점 q에서도 자기장이 0이다.
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13. 그림은 줄을 주기 TP로 진동시키다가 진동을 1초 동안 멈춘 후 다시 주기 TQ로 진동시켜 발생한 파동의 어느 순간의 모습을 나타낸 것이다. 주기가 TP TQ인 파동을 각각 P, Q라고 하고, P와 Q의 속력은 같다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 정답은 "ㄱ, ㄴ, ㄷ"이다.

    - "ㄱ" : P와 Q의 주기가 다르기 때문에 파동의 진폭이 다르다. 따라서 파동의 모양이 다르게 나타난다.
    - "ㄴ" : P와 Q의 속력이 같기 때문에 파동의 전파속도는 동일하다. 따라서 파동이 이동하는 거리는 P와 Q의 주기에 비례한다. 그러므로 파동이 이동한 거리는 P보다 Q가 더 많다.
    - "ㄷ" : P와 Q의 주기가 다르기 때문에 파동의 진폭이 다르다. 또한 P와 Q의 속력이 같기 때문에 파동의 전파속도는 동일하다. 따라서 파동이 이동하는 거리는 P와 Q의 주기에 비례한다. 그러므로 파동이 이동한 거리는 P보다 Q가 더 많고, 파동의 진폭도 다르기 때문에 파동의 모양이 다르게 나타난다.
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14. 다음은 빛의 간섭에 관한 실험이다.

이에 대해 옳게 말한 학생만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. 철수
  2. 영희
  3. 철수, 영희
  4. 철수, 민수
  5. 영희, 민수
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "철수"를 선택한 이유는 빛의 간섭 현상 중 중첩되는 파동의 진폭이 서로 더해져서 강한 진폭을 만들어내는 현상인 상승간섭이 일어나기 때문이다. 상승간섭은 파동의 크기가 커지므로 더 밝은 빛을 만들어내는데, 이는 "철수"가 위치한 지점에서 더 밝은 빛을 볼 수 있게 된다.
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15. 그래프는 입자 A, B의 운동 에너지와 물질파 파장 사이의 관계를 나타낸 것이다.

A, B의 질량이 각각 mA, mB일 때, mA : mB는?

  1. 1 : 3
  2. 1 : 5
  3. 1 : 8
  4. 5 : 1
  5. 8 : 1
(정답률: 알수없음)
  • 그래프에서 파장이 짧을수록 운동 에너지가 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 파장이 짧은 물질파에 해당하는 입자는 운동 에너지가 큰 입자이다. 그래프에서 파란색 선은 입자 A를, 빨간색 선은 입자 B를 나타낸다. 파장이 0.1 nm일 때, 입자 A와 B의 운동 에너지가 같으므로, 이 때의 운동 에너지를 E0이라고 하자. 이 때, 입자 A와 B의 질량 비율은 운동 에너지와 반비례하므로, 입자 A와 B의 질량 비율은 1 : 5이다. 따라서 정답은 "1 : 5"이다.
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16. 그림은 진폭이 2A 인 정상파의 어느 순간의 모습을 일부 나타낸 것이다.

이 순간부터 한 주기 동안 나타날 수 있는 정상파의 모습만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 주어진 그림은 진폭이 2A인 정상파의 어느 순간의 모습을 나타내고 있으므로, 주기 T 동안 이러한 모습이 반복될 것이다. 따라서, 보기 중에서 주기 T 동안 나타날 수 있는 정상파의 모습을 선택해야 한다. "ㄱ"과 "ㄷ"는 주기 T 동안 나타날 수 있는 모습이 아니므로 제외된다. "ㄱ, ㄷ"는 주기 T 동안 두 가지 모습이 번갈아 나타날 수 있으므로 선택할 수 없다. "ㄴ, ㄷ"는 주기 T 동안 두 가지 모습이 번갈아 나타날 수 있으므로 선택할 수 없다. 따라서, 정답은 "ㄴ"이다.
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17. 그림과 같이 단색광이 공기 중에서 매질 A의 한 면에 수직으로 입사한 후 매질 A와 B의 경계면 점 p에서 전반사 한 후, 매질 A와 C의 경계면 점 q에서 굴절하여 진행하였다.

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

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 정답은 "ㄱ, ㄷ"이다.

    ㄱ. 점 p에서 전반사가 일어난 이유는 매질 A와 B의 굴절률 차이가 크기 때문이다. 단색광이 매질 A에서 매질 B로 들어갈 때 굴절률 차이가 크면 전반사가 일어날 확률이 높아진다.

    ㄷ. 점 q에서 굴절이 일어난 이유는 매질 A와 C의 굴절률 차이가 있기 때문이다. 단색광이 매질 A에서 매질 C로 들어갈 때 굴절률 차이가 있으면 굴절이 일어난다.
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18. 그림 (가), (나)는 동일한 금속판에 진동수 2f, 3f인 단색광을 각각 비추었을 때 광전자가 방출되는 것을 모식적으로 나타낸 것이다. 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지는 (나)에서가 (가) 에서의 3배이다.

이 금속판의 한계 진동수는? [3점]

  1. 1/2 f
  2. f
  3. 3/2 f
  4. 2f
  5. 3f
(정답률: 알수없음)
  • 광전자의 최대 운동 에너지는 광자의 주파수에 비례하므로, 3f인 광자가 가장 큰 운동 에너지를 가지고 광전자를 방출한다. 따라서, 금속판의 한계 진동수는 3f이다.

    그러나, (나)에서의 최대 운동 에너지는 (가)에서의 3배이므로, (나)에서도 2f인 광자가 충분한 운동 에너지를 가지고 광전자를 방출할 수 있다. 따라서, 금속판의 한계 진동수는 3/2 f이다.
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19. 그림 (가)는 질량 m인 물체 A가 물체 B와 실로 연결되어 가속도의 크기가 g/2인 등가속도 운동하는 모습을, (나)는 A가 지면에 가만히 놓여 있는 B와 실로 연결되어 정지해 있는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 중력 가속도는 g이고, 도르래의마찰, 공기저항은 무시한다.)

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 정답이 "ㄴ, ㄷ"인 이유는 물체 A와 B가 실로 연결되어 있기 때문에 등가속도 운동을 하게 되며, 이 때 물체 A와 B는 서로 반대 방향으로 같은 크기의 힘을 받게 된다. 따라서 (ㄴ)은 맞고, (ㄱ)은 틀리다. 그리고 물체 A와 B가 등가속도 운동을 하면서 물체 A는 물체 B를 당기는 힘을 받게 되어 물체 B는 정지하게 된다. 따라서 (ㄷ)도 맞다.
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20. 그림과 같이 수평면에서 기준선 P에 정지해 있던 철수가 출발하는 순간, 속력 v, 2v로 운동하던 사각형 틀 A, B가 각각 기준선 P, Q를 통과한다. 철수는 등가속도 직선 운동을, A와 B는 각각 등속도 운동을 한다. P와 Q 사이의 거리는 3L이고, 철수가 B를 통과하는 순간 A와 B 사이의 거리는 L이다.

철수가 B를 통과하는 순간의 속력은? (단, A, B, 철수는 서로 나란한 경로를 따라 운동하며, A, B, 철수의 크기는 무시한다.) [3점]

  1. 3v
  2. 4v
  3. 5v
  4. 6v
  5. 7v
(정답률: 알수없음)
  • 철수가 B를 통과하는 순간, A와 B는 이미 기준선 P와 Q를 통과했으므로, 이후에는 서로 거리가 일정하게 유지된다. 따라서, 철수가 B를 통과하는 순간부터 A와 B 사이의 거리는 계속 L로 유지된다. 이때, 철수와 B의 상대적인 속도는 2v - v = v이다. 따라서, 철수가 B를 통과하는 순간의 속력은 5v가 된다.
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