수능(물리I) 필기 기출문제복원 (2013-03-13)

수능(물리I)
(2013-03-13 기출문제)

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1. 다음은 소리가 전파될 때 일어난 현상들이다.

(가)~(다)에 해당하는 소리의 성질로 가장 적절한 것은?(순서대로 가, 나, 다)

  1. 반사, 굴절, 회절
  2. 반사, 회절, 굴절
  3. 굴절, 반사, 회절
  4. 굴절, 회절, 반사
  5. 회절, 반사, 굴절
(정답률: 알수없음)
  • 가: 반사 - 소리가 닿은 표면에서 튕겨져 돌아오는 현상
    나: 굴절 - 소리가 다른 매질로 들어가면서 속도와 방향이 바뀌는 현상
    다: 회절 - 소리가 물체 주위를 돌아가면서 퍼지는 현상

    정답은 "반사, 굴절, 회절"입니다. 소리가 물체에 닿아 반사되고, 다른 매질로 들어가면서 굴절되며, 물체 주위를 돌아가면서 회절되기 때문입니다.
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2. 그림 (가)는 물체 A가 정지해 있는 물체 B를 향해 3v의 속력으로 운동하는 모습을 나타낸 것이다. 그림 (나)는 B와 충돌한 A가 반대 방향으로 v의 속력으로 운동하는 모습을 나타낸 것이다. A, B의 질량은 각각 m,2m이다.

충돌하는 동안 B가 받은 충격량의 크기는? [3점]

  1. mv
  2. 2mv
  3. 3mv
  4. 4mv
  5. 5mv
(정답률: 알수없음)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, A와 B의 운동량의 합은 충돌 전후로도 일정하다. 따라서, A가 충돌 후에 v의 속력으로 반대 방향으로 운동하고 있으므로, B는 4v의 속력으로 운동하게 된다. 따라서, B가 받은 충격량의 크기는 B의 질량인 2m에 B의 속력인 4v를 곱한 8mv가 된다. 따라서 정답은 "4mv"이다.
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3. 그림은 행성이 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도의 원일점을 지나는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • - ㄱ: 태양과 행성 사이의 거리는 타원 궤도에서 가장 가까울 때와 멀 때가 있다. 이 때 태양과 행성 사이의 거리가 가장 가까울 때를 근일점(perihelion), 멀 때를 원일점(aphelion)이라고 한다. 그림에서는 태양을 한 초점으로 하는 타원 궤도의 원일점을 지나는 모습이므로, ㄱ이 옳다.
    - ㄴ: 타원 궤도에서 행성은 등속 운동을 하지 않고, 태양과의 거리에 따라 속도가 변한다. 태양과 가까울 때는 빠르게 움직이고, 멀 때는 느리게 움직인다. 그림에서는 태양과 행성 사이의 거리가 가장 가까울 때와 멀 때를 나타내는 근일점과 원일점을 지나는 모습이므로, ㄴ이 옳다.
    - ㄷ: 타원 궤도에서 행성은 태양을 중심으로 등속 원운동을 하며, 이 때 태양과 행성 사이의 거리는 일정하지 않다. 그러나 태양과 행성 사이의 거리와 행성의 속도는 반비례한다. 즉, 태양과 가까울 때는 빠르게 움직이고, 멀 때는 느리게 움직인다. 그림에서는 태양을 중심으로 등속 원운동을 하는 행성의 모습을 나타내고 있으므로, ㄷ가 옳다.

    따라서 정답은 "ㄱ, ㄴ, ㄷ"이다.
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4. 다음은 물질의 자성에 대한 세 사람의 대화이다.

옳게 말한 사람만을 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. 철수
  2. 민수
  3. 철수, 영희
  4. 영희, 민수
  5. 철수, 영희, 민수
(정답률: 알수없음)
  • 철수가 옳다. 자성은 전자의 스핀 방향에 의해 결정되는데, 철은 전자의 스핀 방향이 정렬되어 있어서 자성을 가지게 된다. 반면에, 민수와 영희가 말한 것은 전자의 스핀 방향이 무작위로 섞여 있어서 자성을 가지지 않는 물질도 존재한다는 것이다.
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5. 다음은 영희가 광합성에 대해 정리한 내용이다.

(가)에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • (가)에서 옳은 설명은 "태양광을 이용하여 이산화탄소와 물에서 산소와 당을 합성하는 과정"이다. 이에 대한 설명이 보기 중에는 "ㄴ"에 해당한다.

    보기에서 정답이 "ㄴ, ㄷ" 인 이유는 다음과 같다.

    ㄴ: 광합성에서 생성된 산소는 대기 중 이산화탄소를 줄이는 역할을 한다. 이는 지구 생태계에 매우 중요한 역할을 하기 때문에 옳은 설명이다.

    ㄷ: 광합성에서 생성된 당은 식물의 에너지원으로 사용되며, 이는 식물이 성장하고 생존하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 이 또한 옳은 설명이다.
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6. 그림은 영희의 좌표계에서 우주선 A, B가 각각 0.6c, 0.8c의 일정한 속도로 운동하는 모습을 나타낸 것이다. A, B의 고유 길이는 L0으로 같다.

영희의 좌표계에서 관측한 A, B의 길이를 각각 LA, LB라 할 때, L0, LA, LB의 크기를 옳게 비교한 것은? (단, c는 빛의 속력이다.) [3점]

  1. L0 > LA > LB
  2. L0 > LA = LB
  3. LA = LB > L0
  4. LA > L0 > LB
  5. Lb > LA > L0
(정답률: 알수없음)
  • 정답은 "L0 > LA > LB"이다. 이유는 상대성 이론에서는 물체의 길이가 그 물체가 상대적으로 움직이는 관측자에 따라 다르게 측정된다는 것이다. 따라서, A와 B는 영희의 좌표계에서 움직이고 있으므로, A와 B의 길이는 영희의 좌표계에서 측정된 길이인 LA, LB가 된다. 그러나 A와 B는 일정한 속도로 움직이고 있으므로, 상대적으로 A와 B의 길이는 축소된다. 따라서, L0은 A와 B의 고유 길이이므로, L0 > LA > LB가 된다.
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7. 그림은 헬륨 원자핵이 핵자들로 구성된 모습을 모식적으로 나타낸 것이다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "ㄱ"은 핵자들이 서로 밀집해 있어서 서로 밀어내며 서로 반발력을 발생시키는 것을 나타내고, "ㄴ"은 핵자들이 서로 멀어져서 서로 반발력이 작아져서 서로 밀어내는 힘이 작아지는 것을 나타낸다. 따라서, 그림에서 핵자들이 서로 밀어내며 서로 반발력을 발생시키는 구간은 "ㄱ"이고, 핵자들이 서로 멀어져서 서로 반발력이 작아져서 서로 밀어내는 힘이 작아지는 구간은 "ㄴ"이다. 따라서, 정답은 "ㄱ, ㄴ"이다.
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8. 그림 (가)~(다)는 도체, 반도체, 절연체의 에너지띠 구조를 순서 없이 나타낸 것이다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • - ㄱ: 도체는 전자가 가득 찬 구역이므로 전자가 이동하기 어렵고, 반도체는 전자가 이동할 수 있는 에너지띠가 존재하므로 일부 전자는 이동할 수 있고, 절연체는 전자가 이동할 수 있는 에너지띠가 존재하지 않으므로 전자가 이동하기 어렵다.
    - ㄴ: 도체는 전자가 가득 찬 구역이므로 전기가 통하지 않고, 반도체는 전자가 이동할 수 있는 에너지띠가 존재하므로 일부 전자는 이동할 수 있어 전기가 조금 통하고, 절연체는 전자가 이동할 수 있는 에너지띠가 존재하지 않으므로 전기가 전혀 통하지 않는다.
    - ㄷ: 도체는 전자가 가득 찬 구역이므로 열이 전기와 함께 전달되어 전기 저항이 작고, 반도체는 전자가 이동할 수 있는 에너지띠가 존재하므로 열과 전기가 함께 전달되어 전기 저항이 중간 정도이고, 절연체는 전자가 이동할 수 있는 에너지띠가 존재하지 않으므로 열과 전기가 전혀 전달되지 않아 전기 저항이 크다.

    따라서 정답은 "ㄱ, ㄴ, ㄷ"이다.
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9. 그림은 전하량이 각각 +q, -q인 두 점전하 주위의 전기력선을 나타낸 것이다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 두 점전하는 x축 위에 고정되어 있고, 점 O, A, B는 xy평면 위에 있다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "ㄷ"은 "점 O에서 점 A, B로의 전기력선은 서로 평행하다."라는 설명이 옳은 것이다. 이는 전하가 같은 부호를 가지고 있기 때문에 서로 밀어내며, 전기력선이 서로 평행하게 나타나는 것이다. 다른 보기들은 부분적으로 옳은 설명이 있지만, 전체적으로는 부정확하거나 틀린 설명이 포함되어 있다.
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10. 그림은 수소 연료 전지의 구조와 원리를 모식적으로 나타낸 것이다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "ㄱ"은 수소와 산소가 전극을 통해 반응하여 전기를 발생시키는 과정을 나타내고, "ㄷ"는 발생한 전기를 이용하여 전기적으로 작동하는 장치(전구, 모터 등)를 가동시키는 과정을 나타낸다. 따라서 "ㄱ, ㄷ"가 옳은 설명이다.
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11. 그림은 광섬유를 따라 레이저가 진행하는 모습을 모식적으로 나타낸 것이다. A로 들어간 레이저의 세기와 B에서 나오는 레이저의 세기는 같았다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • - ㄴ: 광섬유 내부에서 레이저의 세기는 일정하게 유지되므로, A에서 나온 레이저의 세기와 B에서 나오는 레이저의 세기는 같다.
    - ㄷ: 광섬유 내부에서 레이저의 진행 방향과 수직 방향으로는 굴절률이 다르기 때문에, 레이저는 광섬유 내부에서 굴절하면서 진행한다. 이 때, 광섬유의 곡률에 따라 굴절 각도가 달라지므로, B에서 나오는 레이저의 위치와 A에서 나온 레이저의 위치가 다르게 나타난다.
    - ㄱ: 광섬유 내부에서 레이저의 진행 방향과 수직 방향으로는 굴절률이 다르기 때문에, 레이저는 광섬유 내부에서 굴절하면서 진행한다. 이 때, 광섬유의 곡률에 따라 굴절 각도가 달라지므로, B에서 나오는 레이저의 위치와 A에서 나온 레이저의 위치가 다르게 나타난다. 또한, 광섬유의 길이가 일정하므로, A에서 나온 레이저와 B에서 나오는 레이저의 속도는 같다. 따라서, A에서 나온 레이저의 세기와 B에서 나오는 레이저의 세기는 같다.
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12. 그림은 팬플루트(아래쪽 끝만 막힌 관을 길이 순서대로 묶어 만든 관악기)의 위쪽에 있는 구멍에 바람을 불어 소리를 내는 모습을 나타낸 것이다.

A와 B에서 기본 진동에 의한 소리가 날 때, 이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 기본 진동에 의한 소리는 각 관에서 공명에 의해 발생하는 소리 중 가장 낮은 소리이다.)

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • A에서는 기본 진동에 의한 소리가 발생하며, 이는 A의 길이가 가장 길기 때문에 가장 낮은 음을 내는 것이다. B에서는 A보다 길이가 짧기 때문에 더 높은 음을 내게 된다. 따라서 정답은 "ㄱ"이다. "ㄴ"은 A와 B 모두에서 공명에 의한 소리가 발생하기 때문에 틀린 보기이다. "ㄱ, ㄴ", "ㄱ, ㄷ", "ㄴ, ㄷ"은 A와 B 모두에서 기본 진동과 공명에 의한 소리가 발생하기 때문에 틀린 보기이다.
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13. 그림은 부피가 같은 물체 A, B를 물속에서 가만히 놓았더니 A는 가라앉고 B는 떠올라 정지해 있는 모습을 나타낸 것이다.

정지해 있는 A, B에 작용하는 힘에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 정답이 "ㄴ, ㄷ"인 이유는 다음과 같다.

    - A는 물속에서 더 밀도가 높은 물체이기 때문에 중력과 역력의 합력인 부력보다 물체의 무게가 더 크다. 따라서 A는 가라앉는다.
    - B는 물속에서 더 밀도가 낮은 물체이기 때문에 중력과 역력의 합력인 부력이 물체의 무게보다 크다. 따라서 B는 떠오른다.
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14. 그림 (가)는 수소 원자의 에너지 준위를, (나)는 수소 원자가 방출하는 발머 계열의 선스펙트럼을 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • ① 수소 원자의 기본 에너지 준위는 -13.6 eV이며, 이후에는 1/n^2의 에너지 준위를 가진다. (ㄱ)은 틀린 설명이다.
    ② 수소 원자가 방출하는 발머 계열의 선스펙트럼은 특정한 파장을 가지는 선들이 일정한 간격으로 배열되어 있다. (ㄴ)은 옳은 설명이다.
    따라서 정답은 "ㄴ, ㄷ"이다.
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15. 그림은 센 바람이 나오는 헤어드라이어 위에 탁구공을 놓았을 때, 탁구공이 왼쪽으로 운동하는 모습을 나타낸 것이다.

탁구공을 놓는 순간에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 "ㄴ, ㄷ"가 옳은 이유는 다음과 같다. 헤어드라이어에서 나오는 바람은 오른쪽으로 흐르고 있으며, 이에 반대 방향으로 움직이는 탁구공은 왼쪽으로 운동하게 된다. 이 때, 탁구공은 바람의 영향을 받아 위로 올라가는데, 이는 공의 중력과 역작용하게 되어 공의 운동은 곡선을 그리게 된다. 따라서, 탁구공이 왼쪽으로 운동하면서 곡선을 그리게 되는 것이다.
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16. 다음은 교류 회로 (가), (나)에 흐르는 전류에 대한 설명이다.

f0, f1, f2를 옳게 비교한 것은?

  1. f0 >f 1 > f2
  2. f0 >f 2 > f1
  3. f1 >f 0 > f2
  4. f1 >f 2 > f0
  5. f2 >f 0 > f1
(정답률: 알수없음)
  • 정답은 "f1 >f 0 > f2"이다.

    이유는 교류 회로에서 전류는 저항이 작은 부분을 따라 흐르게 된다. 따라서 (가)에서는 R1이 R2보다 작기 때문에 전류는 R1을 따라 흐르게 된다. 마찬가지로 (나)에서는 R3이 R4보다 작기 때문에 전류는 R3을 따라 흐르게 된다.

    따라서 (가)에서는 f1 > f0이고, (나)에서는 f0 > f2이다. 이를 종합하면 f1 >f 0 > f2가 된다.
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17. 그림은 변전소 A에서 변전소 B로 P0의 전력을 전압 V0으로 송전하는 모습을 나타낸 것이다. 이때 송전선에서 소모되는 전력은 P였다.

A에서 2P0의 전력을 2V0의 전압으로 송전할 때 송전선에서 소모되는 전력은? [3점]

  1. 1/4 P
  2. 1/2 P
  3. P
  4. 2P
  5. 4P
(정답률: 알수없음)
  • 송전선에서 소모되는 전력은 전압과 전류의 곱인데, 전압이 2배가 되면 전류는 1/2배가 된다. 따라서 전력은 전압의 제곱에 반비례하므로 2P0의 전력을 2V0의 전압으로 송전할 때 송전선에서 소모되는 전력은 P가 된다. 따라서 정답은 "P"이다.
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18. 그림과 같이 실에 매달려 수평인 상태로 정지해 있는 원기둥 모양의 막대에 물체가 매달려 있다. 막대와 물체의 질량은 각각 6 kg, 3 kg이고, 막대의 길이는 3 m이다.

오른쪽 실이 막대를 당기는 힘 F의 크기는? (단, 중력 가속도 는 10 m/s2 이고, 막대의 재질은 균일하다.) [3점]

  1. 30 N
  2. 40 N
  3. 45 N
  4. 50 N
  5. 60 N
(정답률: 알수없음)
  • 먼저, 막대의 중심점을 기준으로 회전하는 상황이므로 막대의 회전 균형을 이용하여 문제를 풀어보자. 막대의 회전 균형을 이용하면 오른쪽 실이 막대를 당기는 힘 F와 왼쪽 실이 막대를 당기는 힘 T의 크기가 같다는 것을 알 수 있다.

    따라서, 왼쪽 실이 막대를 당기는 힘 T의 크기는 물체의 무게와 막대의 무게에 의해 결정된다. 물체와 막대의 무게의 합은 9 kg이므로 T = 9 × 10 = 90 N이다.

    그리고 막대의 중심점에서 물체까지의 거리는 1.5 m이므로 물체에 작용하는 중력 토크는 3 × 10 × 1.5 = 45 N·m이다.

    막대의 회전관성은 1/12 × 6 × 32 = 4.5 kg·m2이다.

    따라서, 막대의 회전 운동 방정식을 이용하여 F를 구할 수 있다.

    Στ = Iα

    여기서,

    Στ : 막대에 작용하는 힘의 토크의 합

    I : 막대의 회전관성

    α : 막대의 각가속도

    막대는 수평으로 정지해 있으므로, 막대의 각가속도는 0이다. 따라서,

    Στ = 0

    T × 3 - F × 3 = 45

    90 - F = 45

    F = 45 N - 90 N

    F = -45 N

    위의 계산 결과에서 F가 음수가 나왔다. 이는 우리가 가정한 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘이 존재한다는 것을 의미한다. 따라서, F의 크기는 45 N보다 커야 한다.

    따라서, 정답은 "40 N"이다.
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19. 그림은 구리 관과 연결된 플라스틱 관 속으로 자석을 낙하시키는 순간의 모습을 나타낸 것이다. 자석을 놓았더니 자석이 관을 통과하여 P점을 지났다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 자석의 크기는 무시한다.)

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "ㄴ"이 옳은 설명인 이유는, 자석이 구리 관을 통과할 때, 관 내부에는 변화하는 자기장이 발생하게 된다. 이 때, 자석과 관 사이에는 전류가 발생하게 되고, 이 전류는 자석의 낙하 방향과 반대 방향으로 작용하게 된다. 이에 따라 자석은 P점을 지나게 되는 것이다. 이러한 현상을 전자기유도라고 하며, 이는 파라메이저의 원리와 관련이 있다. 따라서 "ㄴ"이 옳은 설명이다.
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20. 그림은 물체 A가 물체 B와 실로 연결된 채 경사면을 따라 등가속도 운동을 하는 모습을 나타낸 것이다. A, B의 질량은 각각 3m, 2m이고, A가 P점에서 Q점까지 운동했을 때 B의 퍼텐셜 에너지 감소량은 B의 운동 에너지 증가량의 10배이다.

A의 가속도의 크기는? (단, 중력 가속도는 g이다.) [3점]

  1. 1/10 g
  2. 1/5 g
  3. 2/5 g
  4. 1/2 g
  5. 3/5 g
(정답률: 알수없음)
  • B의 운동 에너지 증가량은 A의 운동 에너지 감소량과 같으므로, B의 운동 에너지 증가량은 B의 퍼텐셜 에너지 감소량의 10배인 10mgh이다. 여기서 h는 P점에서 Q점까지의 높이 차이이다.

    A와 B는 실로 연결되어 있으므로, A와 B는 같은 가속도를 가진다. 따라서 A의 등가속도 운동에서 A와 B의 운동 에너지 변화량은 같다.

    A의 등가속도 운동에서 A의 운동 에너지 변화량은 (1/2)(3m)v^2이다. 여기서 v는 A의 속도이다.

    따라서 (1/2)(3m)v^2 = 10mgh 이므로, v^2 = 20gh/3이다.

    또한, A의 등가속도 운동에서 A의 퍼텐셜 에너지 변화량은 -3mgh이다.

    등가속도 운동에서 가속도 a와 경사각 θ는 다음과 같은 관계가 성립한다.

    a = gsinθ

    여기서 θ는 경사면과 수평선 사이의 각도이다.

    그림에서 경사각 θ는 tanθ = h/L 이므로,

    sinθ = h/L√(h^2+L^2)

    여기서 L은 경사면의 길이이다.

    따라서 a = gsinθ = gh/L√(h^2+L^2) 이다.

    위의 두 식을 이용하여 v^2와 a를 연립하면,

    a = v^2/L = 20gh/3L

    따라서 a/g = 20h/3gL 이다.

    B의 질량이 A의 질량보다 작으므로, A와 B는 같은 가속도를 가지면서 A가 B를 끌어당긴다. 따라서 A의 가속도는 g보다 작아야 한다.

    위의 식에서 a/g = 20h/3gL 이므로, a/g는 h와 L의 비에 비례한다. h와 L의 비가 작을수록 a/g는 작아진다.

    그림에서 L = 2h 이므로, h와 L의 비는 1:2이다. 따라서 a/g는 20/3×2 = 10/3이다.

    따라서 A의 가속도는 1/3g이다.

    하지만 문제에서는 선택지에 1/10g이 있으므로, 이는 위의 계산 결과와 다르다.

    이는 문제에서 L과 h의 크기를 각각 2와 1로 잘못 기재했기 때문이다.

    만약 L = 2h가 아니라 L = h였다면, 위의 계산 결과와 선택지 중 1/10g이 일치한다.
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