수능(물리I) 필기 기출문제복원 (2014-07-10)

수능(물리I) 2014-07-10 필기 기출문제 해설

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수능(물리I)
(2014-07-10 기출문제)

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1과목: 과목구분없음

1. 표는 A, B 지점의 위도와 경도를, 그림은 A 지점에 설치된 앙부일구를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 앙부일구의 원리와 천구의 운동을 분석하는 문제입니다.
    ㄱ. 앙부일구의 그림자가 시각선 상의 특정 위치에 있을 때, 해당 지점의 경도와 표준시를 고려해야 합니다. 그림에서 그림자가 오후 1시 방향을 가리키고 있으나, A 지점의 경도($127^{\circ}E$)는 표준시 기준선($135^{\circ}E$)보다 서쪽에 위치하므로 실제 시각은 오후 1시보다 느립니다.
    ㄴ. 위도가 북위 $37^{\circ}$로 동일하므로, A와 B 지점의 계절은 동일합니다. 따라서 B만 겨울일 수는 없습니다.
    ㄷ. 태양은 동에서 서로 이동하므로, 영침의 그림자는 그 반대 방향인 서에서 동으로 이동하는 것이 맞습니다.
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2. 그림은 표준 모형에 대해 세 명의 학생이 대화하는 모습을 나타낸 것이다.

옳게 말한 학생만을 있는 대로 고른 것은?

  1. 철수
  2. 민수
  3. 철수, 영희
  4. 영희, 민수
  5. 철수, 영희, 민수
(정답률: 알수없음)
  • 표준 모형의 기본 입자와 매개 입자에 대한 개념 문제입니다.
    철수: 물질을 구성하는 기본 입자는 쿼크와 렙톤으로 구분되는 것이 맞습니다.
    영희: 강한 상호작용을 매개하는 입자는 글루온이 맞습니다.
    민수: 전자는 렙톤의 일종이며 원자를 구성하는 기본 입자가 맞습니다.
    따라서 세 학생 모두 옳게 말하였습니다.
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3. 그림과 같이 질량이 각각 m, 2m인 물체 A, B를 높이가 같은 두 곡면에 가만히 놓았다. A, B는 곡면에서 같은 거리를 이동한 후지면에 도달한다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 역학적 에너지 보존 법칙과 등가속도 운동의 원리를 적용합니다. 두 물체는 같은 높이에서 출발했으므로 지면에 도달하는 순간의 속력은 질량과 관계없이 동일합니다.
    ㄱ. A는 곡면의 경로가 B보다 길고 최종 속력이 같으므로, 이동 시간이 더 오래 걸립니다. (옳음)
    ㄴ. 역학적 에너지 보존에 의해 지면 도달 속력은 $\sqrt{2gh}$로 동일합니다. (틀림)
    ㄷ. 지면 도달 시 역학적 에너지는 처음 위치 에너지 $mgh$와 같으므로, 질량이 다른 A와 B의 에너지는 다릅니다. (틀림)
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4. 그림 (가)는 수평면에 놓인 물체 A를 물체 B와 실로 연결한 모습을, (나)는 (가)의 A를 물체 C와 실로 연결한 모습을 나타낸 것이다. A와 B의 질량은 m이고, 화살표는 가속도의 방향이다.

(가)와 (나)에서 A의 가속도의 크기가 같을 때, C의 질량은? (단, 실의 질량 및 모든 마찰은 무시한다.) [3점]

  1. m
  2. 2m
  3. 3m
  4. 4m
  5. 5m
(정답률: 알수없음)
  • 물체 A에 작용하는 알짜힘을 통해 가속도를 구하는 문제입니다. (가)에서는 B의 중력이, (나)에서는 C의 중력과 A의 중력의 차이가 A를 가속시킵니다.
    ① [기본 공식]
    (가) $a = \frac{m g}{m}$
    (나) $a = \frac{(M_C - m) g}{m + M_C}$
    ② [숫자 대입]
    $g = \frac{(M_C - m) g}{m + M_C}$
    ③ [최종 결과]
    $M_C = 3m$
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5. 다음은 뮤온이 지표면 근처에서 발견되는 현상에 관한 내용이다.

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)
  • 특수 상대성 이론의 시간 지연과 길이 수축 현상을 설명하는 문제입니다.
    ㄱ. 지표면의 관찰자가 볼 때, 빠르게 이동하는 뮤온의 시간은 느리게 흐릅니다(시간 지연). 따라서 측정된 수명은 뮤온의 고유 수명 $t_0$보다 길게 측정됩니다.
    ㄴ. 뮤온의 관점(함께 움직이는 좌표계)에서는 지표면과 뮤온 발생 지점 사이의 거리가 수축되어 보입니다(길이 수축). 따라서 측정 거리는 고유 길이 $L_0$보다 짧게 측정됩니다.
    ㄷ. 시간 지연과 길이 수축은 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 핵심 결과이며, 이를 통해 뮤온이 지표면에 도달하는 현상을 완벽히 설명할 수 있습니다.
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6. 그림은 지구를 중심으로 원운동하는 인공위성 A와 지구를 한 초점으로 타원운동하는 인공위성 B를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, A, B 사이의 만유인력은 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 케플러 법칙과 만유인력 법칙을 적용합니다.
    공전 궤도 반지름(장반경)이 클수록 공전 주기가 길어지므로, 궤도가 더 큰 A의 주기가 B보다 깁니다.
    Q점은 A와 B의 궤도가 만나는 지점이지만, 타원 궤도인 B는 근일점/원일점에 따라 속력이 변하며 원 궤도인 A와 속력이 다릅니다.
    만유인력에 의한 가속도는 거리의 제곱에 반비례합니다. B의 궤도에서 P점(근일점)이 Q점(원일점)보다 지구와 더 가깝기 때문에 P에서의 가속도가 더 큽니다.
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7. 그림은 이상 기체가 들어있는 실린더의 피스톤 위에 추를 올려놓았을 때 피스톤이 정지해 있는 모습을 나타낸 것이다.

추를 제거한 후 피스톤이 정지할 때까지 감소하는 이상 기체의 물리량만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 열의 출입과 마찰은 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 추를 제거하면 피스톤에 가해지는 외부 압력이 감소하여 기체가 단열 팽창합니다.
    압력이 감소하므로 압력은 감소합니다.
    기체가 외부로 일을 하며 팽창하므로 내부 에너지가 감소하고, 이에 따라 온도가 내려가 분자의 평균 속력이 감소합니다.
    따라서 압력, 평균 속력, 내부 에너지 모두 감소합니다.
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8. 그림 (가)와 같이 대전된 금속구 B를 가는 실로 매단 후 대전체 A, C를 B로부터 거리가 r, 2r인 위치에 놓았더니 B가 정지하였고, (나)와 같이 (가)의 상태에서 대전체 A를 B에서 멀리하였더니 B가 C쪽으로 기울어져 정지하였다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, A, B, C의 크기는 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 쿨롱 법칙에 의해 전기력은 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례합니다.
    (가)에서 B가 정지해 있으므로 A가 미는 힘과 C가 미는 힘의 크기가 같아야 합니다. (나)에서 A를 치웠을 때 B가 C쪽으로 끌려가므로 B와 C는 서로 다른 종류의 전하(인력)를 가집니다.
    전기력 공식 $F = k \frac{q_1 q_2}{r^2}$를 적용하면, $F_A = F_C$ 일 때 $k \frac{q_A q_B}{r^2} = k \frac{q_C q_B}{(2r)^2}$가 성립하여 $q_C = 4q_A$가 됩니다.

    오답 노트
    (나)에서 A를 멀리하였으므로 A와 B 사이의 상호작용은 무시되거나, 초기 상태에서 B가 정지하기 위해 A는 B를 밀어냈으므로 척력이 작용했었습니다.
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9. 그림은 원형 도선을 수평면에 대해 수직으로 놓고 전류를 흘렸을 때, 원형 도선의 중심 O에 놓인 나침반을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 지구 자기장은 무시한다.)

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 앙페르의 오른나사 법칙에 따라 전류의 방향과 자기장의 방향을 결정합니다.
    중심 O에서 나침반 N극이 위쪽을 가리키므로, 전류는 b 방향으로 흘러야 합니다.
    점 P는 도선 외부에 있으므로, O에서의 자기장 방향과 P에서의 자기장 방향은 서로 다릅니다.
    원형 도선 중심의 자기장 세기는 전류의 세기에 비례하므로, 전류가 2배가 되면 자기장의 세기도 2배가 됩니다.
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10. 그림은 고체 A, B의 에너지띠 구조를 나타낸 것이다.

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)
  • 에너지띠 구조를 통해 물질의 전기적 성질을 판별하는 문제입니다.
    고체 $A$는 원자가띠와 전도띠 사이의 띠틈이 좁아 전자가 쉽게 전이될 수 있는 반도체이며, 고체 $B$는 띠틈이 매우 넓은 부도체입니다. 따라서 전기 전도성은 $A$가 $B$보다 훨씬 좋습니다.

    오답 노트
    A는 부도체이다: 띠틈이 좁으므로 반도체에 해당합니다.
    B의 원자가띠에 있는 전자들의 에너지는 모두 같다: 에너지띠 내의 전자들은 미세하게 다른 에너지 상태를 가집니다.
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11. 그림은 지표면에 고정된 금속 고리에 막대자석을 가까이 하는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 자석은 금속 고리의 중심축 상에서 운동한다.)

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 렌츠의 법칙과 패러데이 전자기 유도 법칙을 적용하는 문제입니다.
    자석의 $N$극이 금속 고리로 다가오면, 고리는 이를 밀어내기 위해 위쪽 방향으로 $N$극을 형성하는 유도 전류를 만듭니다. 오른나사 법칙에 의해 전류의 방향은 $a$가 됩니다. 이때 자석과 고리 사이에는 서로 밀어내는 척력이 작용합니다. 또한, 자석을 더 빠르게 움직이면 자기선속의 변화율이 커져 유도 전류의 세기가 증가합니다.

    오답 노트
    금속 고리와 자석 사이에는 인력이 작용한다: 다가오는 $N$극을 밀어내려는 척력이 작용합니다.
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12. 그림 (가)는 어느 신문 기사의 일부분이고, (나)는 길이가 다양한 진자들 중 b를 흔들었더니 길이가 같은 e만 큰 진폭으로 진동하는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 물체의 고유 진동수와 외부 자극의 진동수가 일치할 때 진폭이 최대가 되는 공명 현상을 묻는 문제입니다.
    아파트의 높이가 다르면 고유 진동수가 다르므로, 지진파의 진동수와 일치하는 특정 높이의 아파트에서 더 큰 피해가 발생합니다. 진자 $b$와 $e$는 길이가 같으므로 고유 진동수와 주기가 동일하며, $b$를 흔들었을 때 $e$가 크게 진동하는 것은 공명 때문입니다.
    따라서 모든 보기가 옳습니다.
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13. 그림은 정보 저장 매체를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 각 저장 매체의 물리적 저장 원리를 묻는 문제입니다.
    DVD는 레이저 빛을 쏘아 표면의 홈에 의해 반사된 빛의 차이를 이용해 정보를 읽습니다. 플래시 메모리는 전하를 가두는 반도체 소자(플로팅 게이트)를 이용한 비휘발성 메모리입니다.

    오답 노트
    전자기 유도 현상을 이용하여 하드 디스크에 정보를 저장한다: 하드 디스크는 자기 기록 방식(자성체 자화)을 사용하며, 전자기 유도는 주로 읽기 헤드에서 신호를 검출할 때 사용됩니다.
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14. 다음은 원자로에서 일어나는 핵분열 반응식이다.

이에 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)
  • 핵분열 반응식에서 질량수와 원자 번호의 합은 보존되어야 합니다.
    반응식: ${}^{235}_{92}\text{U} + (a) \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{97}_{36}\text{Kr} + 3(a) + \text{energy}$
    질량수 보존: $235 + a = 141 + 97 + 3a \Rightarrow 2a = 235 - 238 = -3$ (오류 발생, 실제 반응식의 $\text{Kr}$ 질량수는 $92$여야 함). 이미지의 $\text{Kr}$ 질량수 $\text{⑦}$을 계산하면 $235 + 1 = 141 + \text{⑦} + 3(1) \Rightarrow \text{⑦} = 91$이 아닌 $92$가 되어야 합이 맞습니다. 따라서 $\text{⑦}$은 $92$입니다.

    오답 노트
    a는 전자이다: 핵분열을 유도하는 입자 $a$는 중성자입니다.
    핵분열 전과 후 입자들의 질량의 합은 같다: 질량 결손이 발생하여 일부 질량이 에너지로 전환되므로 질량의 합은 감소합니다.
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15. 그림과 같이 발광 다이오드와 직류 전원 장치, 교류 전원 장치를 이용하여 회로를 구성한 후, 스위치를 a에 연결하였을 때 발광 다이오드에 불이 켜졌다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 발광 다이오드(LED)는 순방향 전압이 걸릴 때 전류가 흐르며 빛을 냅니다. p형 반도체에 (+), n형 반도체에 (-)극이 연결되어야 하므로, ⑦은 (-)극이어야 합니다.
    LED에서 전자는 n형 반도체에서 p형 반도체로 이동합니다.
    스위치를 b에 연결하면 교류 전원의 방향이 주기적으로 바뀌므로, 순방향일 때만 불이 켜져 깜빡거리는 현상이 반복됩니다.

    오답 노트
    ⑦의 극성: p형에 (+)가 연결되어야 하므로 ⑦은 (-)극입니다.
    전자 이동 방향: 전자는 n형 $\rightarrow$ p형으로 이동합니다.
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16. 다음은 교류 전원의 진동수에 따른 전구의 밝기를 알아보기 위한 실험 과정의 일부이다.

(나)에서보다 (다)에서 더 밝아진 전구만을 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. A
  2. B
  3. C
  4. A, B
  5. B, C
(정답률: 알수없음)
  • 교류 전원의 진동수 $f$가 감소할 때 각 소자의 리액턴스 변화를 분석합니다.
    전구 B(코일)의 유도 리액턴스는 $X_{L} = 2\pi fL$이므로, 진동수가 감소하면 리액턴스가 감소하여 전류가 더 많이 흐르게 되고 전구는 더 밝아집니다.

    오답 노트
    전구 A(저항): 진동수와 무관하게 밝기가 일정합니다.
    전구 C(축전기): 용량 리액턴스 $X_{C} = \frac{1}{2\pi fC}$가 증가하여 전류가 감소하고 더 어두워집니다.
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17. 다음은 실생활에서 전자기파가 이용되는 예이다.

ⓐ에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 귀 체온계는 인체에서 방출되는 열복사 에너지인 적외선을 감지하여 온도를 측정하는 장치입니다.

    오답 노트
    전자레인지: 마이크로파를 사용합니다.
    진공에서의 속도: 모든 전자기파는 진공에서 광속으로 동일하게 전파됩니다.
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18. 그림과 같이 받침대 A, B에 질량이 2m, 길이가 4L인 균일한 막대를 수평면과 나란하게 올려놓고, O점으로부터 3L인 지점에 질량이 m인 물체를 올려놓았을 때 물체가 정지하였다.

다음은 A, B가 막대에 작용하는 힘의 크기를 각각 FA, FB라 할 때, FA를 구하는 과정이다.

(가)와 (나)에 들어갈 내용으로 옳은 것은? (단, 중력가속도는 g이다.)(순서대로 가, 나) [3점]

(정답률: 알수없음)
  • 물체가 정지해 있으므로 알짜힘과 알짜 돌림힘은 모두 0입니다. O점을 회전축으로 하여 돌림힘 평형 방정식을 세우면, 시계 방향 돌림힘(물체와 막대의 무게)과 반시계 방향 돌림힘(받침대 B의 수직항력)이 같아야 합니다.
    막대의 무게 $2mg$는 무게중심인 $2L$ 지점에 작용하므로, (가)에 들어갈 돌림힘은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\tau = F \times d$
    ② [숫자 대입] $\tau = 2mg \times 2L$
    ③ [최종 결과] $4mgL$
    이제 힘의 평형 식 $F_{A} + F_{B} = 3mg$와 돌림힘 식 $4F_{B}L = 3mgL + 4mgL$을 연립하여 $F_{A}$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $F_{B} = \frac{7mgL}{4L} = \frac{7}{4}mg$
    ② [숫자 대입] $F_{A} = 3mg - \frac{7}{4}mg$
    ③ [최종 결과] $\frac{5}{4}mg$
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19. 그림은 발전소에서 가정까지 송전하는 과정을 나타낸 것이다. 공급 전력이2P0, 송전 전압이 V0일 때 송전 과정에서 손실되는 전력은 P0이다.

이에 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)
  • 공급 전력 $2P_{0}$ 중 손실 전력이 $P_{0}$이므로, 가정에서 사용할 수 있는 최대 소비 전력은 $2P_{0} - P_{0} = P_{0}$입니다.
    송전 전압을 높이면 송전 전류가 감소하여 손실 전력($P = I^{2}R$)은 감소합니다.
    주상 변압기는 전자기 유도 현상을 이용하여 전압을 변환하는 장치입니다.

    오답 노트
    송전 전압만 높이면 손실 전력은 $P_{0}$보다 작아집니다.
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20. 다음은 부력에 대한 실험 과정과 결과이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 물의 밀도는 p, 중력가속도는 g이다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 부력의 원리와 저울의 측정 원리를 분석하는 문제입니다.
    ㄴ. 작용 반작용 법칙에 의해 물이 금속에 가하는 힘(부력)과 금속이 물에 가하는 힘은 크기가 같고 방향이 반대입니다. (옳음)
    ㄷ. 저울의 눈금은 (나)의 무게에 물의 높이 상승으로 인한 추가 액체 기둥의 무게가 더해진 값입니다.
    $w = w_0 + \rho g A(h - h_0)$ (옳음)

    오답 노트
    ㄱ. 실이 물체에 작용하는 힘(장력)은 중력에서 부력을 뺀 값입니다.
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