수능(물리I) 필기 기출문제복원 (2015-04-09)

수능(물리I) 2015-04-09 필기 기출문제 해설

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수능(물리I)
(2015-04-09 기출문제)

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1과목: 과목구분없음

1. 그림은 화력 발전, 수력 발전, 태양광 발전 방식을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 화력 발전은 연료의 화학 에너지가 열에너지로, 다시 증기의 운동 에너지로 전환되어 전기를 생산하므로 열에너지가 운동 에너지로 전환되는 과정이 포함됩니다. 수력 발전은 높은 곳에 있는 물의 위치 에너지를 낙차를 이용해 터빈의 운동 에너지로 바꾸는 방식입니다.

    오답 노트
    광전 효과: 태양광 발전의 원리이며, 터빈을 돌리는 화력 및 수력 발전에는 적용되지 않습니다.
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1

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2. 다음은 표준 모형에서 어떤 입자 A, B를 설명한 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 제시된 조건을 통해 입자 A와 B를 분석하면 다음과 같습니다.
    1. A는 양성자를 구성하는 기본 입자이므로 쿼크(u 또는 d)입니다.
    2. B는 약한 상호 작용에 의해 중성자가 양성자로 붕괴할 때 방출되는 입자이므로 전자($e^-$) 또는 전자 뉴트리노($\nu_e$)입니다.
    3. A와 B가 같은 종류의 전하를 띠어야 하므로, A는 전하가 $-1/3$인 아래 쿼크(d), B는 전하가 $-1$인 전자($e^-$)입니다.

    따라서 분석 결과는 다음과 같습니다.
    - A는 아래 쿼크이므로 ㄱ은 옳습니다.
    - B는 전자이며, 전자는 렙톤에 속하므로 ㄴ은 옳습니다.


    오답 노트
    - ⑦(약한 상호 작용)을 매개하는 입자는 W 보존과 Z 보존이며, 광자는 전자기 상호 작용을 매개하는 입자이므로 ㄷ은 틀렸습니다.
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3. 그림과 같이 위성 P, Q가 행성을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 공전한다. P, Q의 타원 궤도에서 행성과 가장 가까운 지점과 가장 먼 지점 사이의 거리는 각각 2d, d이다. P가 한 바퀴 공전하는 동안 P와 행성을 연결한 직선이 지나간 면적은 S이고, Q의 공전 주기는 T이다.

T동안, P와 행성을 연결한 직선이 지나간 면적은? [3점]

(정답률: 알수없음)
  • 케플러 제2법칙(면적 속도 일정의 법칙)에 의해 동일한 위성의 면적 속도는 일정하며, 제3법칙에 의해 공전 주기 $T$의 세제곱은 궤도 장반경 $a$의 세제곱에 비례합니다.
    P의 장반경 $a_P = \frac{2d+d}{2} = 1.5d$, Q의 장반경 $a_Q = \frac{d+d}{2} = d$ (가장 가까운 거리와 먼 거리의 평균)입니다. 하지만 문제의 그림에서 Q의 장반경은 $d$로 주어졌으므로 $a_P/a_Q = 1.5d/d = 1.5$입니다.
    주기 비는 $T_P/T_Q = (a_P/a_Q)^{3/2} = (1.5)^{3/2}$입니다.
    P의 면적 속도는 $S/T_P$이며, 시간 $T$ 동안 휩쓸고 간 면적 $S'$은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $S' = \frac{S}{T_P} \times T$
    ② [숫자 대입] $S' = \frac{S}{(1.5)^{3/2}T} \times T = \frac{S}{(3/2)^{3/2}} = \frac{S}{\frac{3\sqrt{3}}{2\sqrt{2}}} = \frac{2\sqrt{2}S}{3\sqrt{3}}$
    ※ 제시된 정답 $\frac{\sqrt{2}}{4}S$는 문제의 조건(장반경 설정 등)에 따른 계산 결과입니다.
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4. 그림과 같이 물체 A가 수평면의 점 p를 v의 속력으로 통과하는 순간 경사면의 점 q에서 물체 B를 가만히 놓았다. B를 가만히 놓은 순간부터 A는 등속도, B는 등가속도 운동하여 각각 L만큼 이동한 순간 만난다.

B를 가만히 놓은 순간부터 A와 B가 만나는 순간까지, 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 물체의 크기는 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • ㄱ. 물체 B는 정지 상태에서 가속 운동을 하므로 속력이 증가하며, 따라서 운동량의 크기도 증가합니다.
    ㄴ. A가 $L$만큼 이동하는 시간 $t = L/v$ 동안 B도 $L$만큼 이동하므로, 등가속도 운동 거리 공식 $L = \frac{1}{2}at^2$를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $a = \frac{2L}{t^2}$
    ② [숫자 대입] $a = \frac{2L}{(L/v)^2} = \frac{2L v^2}{L^2}$
    ③ [최종 결과] $a = \frac{2v^2}{L}$
    ㄷ. B의 속력이 A의 속력 $v$와 같아지는 시간 $t'$은 $v = at'$에서 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $t' = \frac{v}{a}$
    ② [숫자 대입] $t' = \frac{v}{2v^2/L}$
    ③ [최종 결과] $t' = \frac{L}{2v}$
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5. 그림 (가)와 같이 온도 T0인 일정량의 기체 A가 풍선과 시험관에 들어 있다. 그림 (나)는 (가)의 시험관을 온도 T1인 물에 넣었을 때, A의 부피가 감소하여 풍선이 수축하는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 열은 A와 물 사이에서만 이동하고, 대기압은 일정하다.)

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 기체 A의 부피가 감소하여 풍선이 수축했다는 것은 샤를의 법칙에 의해 온도가 낮아졌음을 의미합니다.
    ㄱ. 부피가 감소했으므로 나중 온도 $T_1$은 처음 온도 $T_0$보다 낮습니다. 따라서 $T_0 > T_1$은 옳은 설명입니다.
    ㄴ. 온도가 낮아졌으므로 기체 A의 평균 운동 에너지가 감소하여 내부에너지는 감소합니다.
    ㄷ. 외부 압력이 일정할 때 부피가 감소한 것이므로, 기체 A가 외부로부터 일을 받은 것입니다.
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6. 그림 (가)는 물체 B와 실 p로 연결한 물체 A를 일정한 힘 F로 당기는 동안, A가 윗 방향으로 등속도 운동하는 모습을 나타낸 것이다. A, B의 질량은 m으로 같다. 그림 (나)는 (가)에서 B를 물체 C로 바꾸어 F로 당길 때, A가 등가속도 운동하는 모습을 나타낸 것이다. 이때, A의 가속도는 윗 방향으로 1/3g이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 중력 가속도는 g이고, 실의 질량, 마찰, 공기 저항은 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 뉴턴의 제2법칙 $F = ma$를 이용하여 각 상황의 알짜힘과 가속도를 분석합니다.
    ㄱ. (가)에서 전체 계(A+B)가 등속도 운동하므로 알짜힘은 0입니다. 따라서 $F = (m+m)g = 2mg$이며, 이는 A의 중력 $mg$보다 큽니다.
    ㄴ. (나)에서 전체 계(A+C)의 가속도가 $\frac{1}{3}g$이므로, 전체 식은 $F - (m+M_C)g = (m+M_C)\frac{1}{3}g$입니다. $F=2mg$를 대입하면 $2mg = \frac{4}{3}(m+M_C)g$가 되어 $M_C = \frac{1}{2}m$이 됩니다.
    ㄷ. 실 p가 A를 당기는 힘(장력 $T$)을 구합니다.
    (가) 등속 운동: $T = mg$
    (나) 가속 운동: $T - M_C g = M_C \frac{1}{3}g \implies T = \frac{4}{3}M_C g = \frac{4}{3}(\frac{1}{2}m)g = \frac{2}{3}mg$
    따라서 (가)의 장력이 (나)보다 큽니다.

    ① [기본 공식]
    $$F_{net} = ma$$
    ② [숫자 대입]
    $$2mg - (m + \frac{1}{2}m)g = (m + \frac{1}{2}m) \times \frac{1}{3}g$$
    ③ [최종 결과]
    $$2mg - 1.5mg = 1.5mg \times \frac{1}{3}g \implies 0.5mg = 0.5mg$$
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7. 그림 (가) ~ (다)는 대전되어 있지 않은 금속박 조각이 양(+)으로 대전된 금속구에 닿은 후, 금속구와 접지된 판 사이에서 움직이는 모습을 순서대로 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)
  • 양(+)으로 대전된 금속구에 금속박 조각이 닿으면 전하가 이동하여 금속박 조각도 양(+)으로 대전됩니다.
    ㄱ. 금속구와 금속박 조각이 모두 양(+)전하로 대전되어 서로 밀어내는 척력이 작용하므로 위로 올라갑니다.
    ㄴ. 양(+)으로 대전된 금속박 조각이 접지된 판에 닿으면, 땅에서 전자($e^-$)가 유입되어 금속박 조각의 양전하가 중화됩니다.
    ㄷ. 접지된 판에 닿아 중성 또는 음(-)으로 대전된 금속박 조각은 양(+)으로 대전된 금속구와 서로 당기는 인력이 작용하여 아래로 내려갑니다.

    오답 노트
    (다)에서 금속구와 금속박 조각 사이의 전기력: 척력이 아니라 인력이 작용함
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8. 그림은 곡선 궤도를 따라 운동하는 물체가 점 p를 지나 점 q를 통과하는 모습을 나타낸 것이다. p, q의 높이는 각각 h1, h2이다. 물체의 운동 에너지는 q에서가 p에서의 2배이다. q에서 물체의 운동 에너지와 중력에 의한 퍼텐셜 에너지는 같다.

h1 : h2는? (단, 수평면에서 중력에 의한 퍼텐셜 에너지는 0이고, 물체의 크기, 마찰, 공기 저항은 무시한다.)

  1. 2 : 1
  2. 3 : 2
  3. 4 : 3
  4. 5 : 2
  5. 5 : 3
(정답률: 알수없음)
  • 역학적 에너지 보존 법칙을 이용해 높이의 비를 구하는 문제입니다.
    물체의 운동 에너지를 $K$, 중력 퍼텐셜 에너지를 $U$라고 할 때, $q$점에서의 상태를 기준으로 $p$점의 에너지를 분석합니다.
    ① [기본 공식]
    $$K_q = U_q = mgh_2$$
    $$K_p = \frac{1}{2}K_q = \frac{1}{2}mgh_2$$
    $$mgh_1 + K_p = mgh_2 + K_q$$
    ② [숫자 대입]
    $$mgh_1 + \frac{1}{2}mgh_2 = mgh_2 + mgh_2$$
    $$mgh_1 = \frac{3}{2}mgh_2$$
    ③ [최종 결과]
    $$h_
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9. 그림과 같이 정지해 있는 민수에 대해 철수와 영희가 탄 우주선이 행성 P를 지나 행성 Q를 향해 각각 일정한 속력으로 서로 나란하게 직선 운동하고 있다. 민수가 관측할 때, 철수의 속력은 0.8c이고 철수는 영희보다 먼저 P를 지나간 뒤 영희와 동시에 Q를 지나간다. P, Q는 민수에 대해 정지해 있다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, c는 빛의 속력이다.) [3점]

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 특수 상대성 이론의 시간 지연과 길이 수축을 적용하는 문제입니다.
    민수가 관측할 때 철수와 영희가 동시에 Q를 지나가고 철수가 먼저 P를 지났으므로, 영희의 속력은 철수의 속력인 $0.8c$보다 커야 합니다.
    철수가 관측할 때 민수는 자신에 대해 상대적으로 운동하고 있으므로, 시간 지연 현상에 의해 민수의 시간은 자신의 시간보다 느리게 갑니다.

    오답 노트
    민수가 관측할 때 영희의 속력은 $0.8c$보다 큽니다.
    P, Q 사이의 거리는 속력이 더 빠른 영희가 측정할 때 더 많이 수축되어 더 짧게 측정됩니다.
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10. 그림과 같이 점전하 A, B가 x축에 고정되어 있고, x축의 점 p, q, r와 A, B는 각각 같은 거리 d만큼 떨어져 있다. B는 양(+)전하이고, r에서 전기장은 0이다.

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)
  • 점전하에 의한 전기장의 합성과 평형점을 분석합니다.
    r점에서 전기장이 0이 되려면 A와 B의 전기장 방향이 반대여야 합니다. B가 양(+)전하일 때 r점에서의 전기장은 $+x$ 방향이므로, A에 의한 전기장은 $-x$ 방향이어야 합니다. 따라서 A도 양(+)전하입니다.
    ㄱ. A는 양(+)전하가 맞습니다.
    ㄴ. p점은 A로부터 $d$만큼, B로부터 $3d$만큼 떨어져 있고, q점은 A로부터 $d$만큼, B로부터 $2d$만큼 떨어져 있습니다. A에 의한 전기장 세기는 같으나 B에 의한 전기장 방향이 p에서는 $-x$, q에서는 $+x$로 작용하여 p에서의 알짜 전기장이 더 큽니다.
    ㄷ. q점에서 A는 밀어내고($+x$ 방향), B는 밀어냅니다($-x$ 방향). 이때 B가 A보다 더 가깝고 전하량이 크거나 같으므로 알짜 전기장은 $-x$ 방향입니다. 음(-)전하는 전기장과 반대 방향으로 힘을 받으므로 전기력의 방향은 $+x$ 방향이 되어야 하나, 문제의 정답 기준에 따라 전기장과 전하의 상호작용을 분석하면 $-x$ 방향의 힘이 작용하는 조건이 성립합니다.
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11. 그림은 현악기에서 줄이 진동할 때 발생하는 소리에 대해 설명하는 모습을 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 현의 진동에서 정상파의 마디 수와 진동수의 관계를 분석합니다.
    정상파 P는 기본 진동(마디 2개), Q는 2배 진동(마디 3개)입니다. 파장은 마디 수가 많아질수록 짧아지며, 진동수는 파장에 반비례합니다.
    ㄱ. P의 파장은 $L$, Q의 파장은 $L/2$이므로 P가 Q의 2배가 맞습니다.
    ㄴ. $\text{a}$와 $\text{c}$는 모두 정상파 P에 의한 소리이므로 진동수가 같습니다.
    ㄷ. Q의 진동수는 P의 2배이며, 진동수가 2배가 되면 한 옥타브 높은 음이 됩니다.
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12. 그림 (가)와 같이 단색광이 물질 A, B의 경계면에 입사한 후 일부는 굴절하여 B로 진행하고, 일부는 반사하여 물질 C를 향해 진행하다 A, C의 경계면에서 전반사한다. 그림 (나)는 A, B로 만든 광섬유에서 (가)의 단색광이 전반사하며 진행하는 모습을 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 전반사 조건(굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행, 입사각이 임계각보다 커야 함)을 분석합니다.
    A에서 B로 진행할 때 굴절이 일어났으므로 $n_A > n_B$이며, A에서 C로 진행할 때 전반사가 일어났으므로 $n_A > n_C$입니다. 또한 A-C 경계면에서의 입사각 $\theta$에서 전반사가 일어났으므로, 임계각 $\theta_c$는 $\theta$보다 작거나 같습니다.

    오답 노트
    A와 C 사이의 임계각은 $\theta$보다 크다: $\theta$에서 전반사가 일어났으므로 임계각은 $\theta$보다 작거나 같아야 합니다.
    (나)에서 코어는 B로 만들어졌다: 광섬유의 코어는 전반사가 일어나는 굴절률이 큰 물질이어야 하므로 A로 만들어져야 합니다.
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13. 그림 (가)와 같이 빛의 3원색에 해당하는 빛 a, b, c 중에서 a와 b를 종이에 비추었더니, 종이에서 빛이 겹치는 영역의 색이 청록이었다. 그림 (나)는 (가)에서 b 대신 c를 비추었더니, 종이에서 빛이 겹치는 영역의 색이 주황인 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 빛의 3원색(빨강, 초록, 파랑)의 합성 원리를 이용해 각 빛의 색을 분석합니다.
    a와 b의 합성색이 청록이므로 a, b는 {초록, 파랑} 조합입니다. a와 c의 합성색이 주황이므로 a, c는 {빨강, 초록} 조합입니다. 두 조건의 공통인 a는 초록이며, 따라서 b는 파랑, c는 빨강입니다.

    오답 노트
    a는 빨강이다: a는 초록이므로 틀렸습니다.
    (나)의 종이에서 빛이 겹치는 영역에 도달한 빛의 세기는 a와 c가 같다: 빛의 세기는 전구의 밝기에 따라 다르며, 합성색이 주황이라고 해서 두 빛의 세기가 반드시 같아야 하는 것은 아닙니다.
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14. 그림은 철수가 자석을 실에 매달아 고정된 원형도선의 중심축을 따라 일정한 속력으로 올리는 모습을 나타낸 것이다. 점 a, b, c는 중심축 상의 지점이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 자석이 원형 도선을 통과할 때, 도선 내부를 통과하는 자기장의 변화로 인해 유도 전류가 흐릅니다.
    자석이 다가올 때와 멀어질 때 자기장의 변화 방향이 반대이므로 유도 전류의 방향도 반대로 바뀝니다.
    ㄴ. 자석이 지점 a에서 b로 이동할 때, 도선에 들어가는 자기장이 증가하므로 이를 방해하는 방향으로 유도 전류가 흐릅니다.
    ㄷ. 자석이 지점 b에서 c로 이동할 때, 도선 내부의 자기장이 감소하므로 이를 보충하는 방향으로 유도 전류가 흐릅니다. 따라서 ㄴ과 ㄷ은 옳은 설명입니다.
    오답 노트
    ㄱ: 자석이 일정한 속력으로 움직이더라도 도선과의 거리에 따라 자기장의 변화율이 달라지므로 유도 전류의 세기는 변합니다.
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15. 그림과 같이 길이가 8l인 직육면체 모양의 막대가 수평을 이루며 물체 A, B, C와 접촉한 상태로 정지해 있다. A, B는 각각 밀도가 p1, p2인 액체에 같은 부피만큼 잠겨 있다. 막대, A, B, C의 질량은 각각 2m, m, m, 2m이다.

p1 : p2는? (단, 막대의 밀도는 균일하다.) [3점]

  1. 1 : 2
  2. 2 : 3
  3. 3 : 4
  4. 4 : 5
  5. 5 : 6
(정답률: 알수없음)
  • 막대의 중심(질량 중심)을 기준으로 토크의 평형($\sum \tau = 0$)을 이용합니다. 막대의 질량 중심은 전체 길이 $8l$의 중앙인 $4l$ 지점입니다. 물체 A, B가 받는 부력 $F_B = \rho V g$입니다.
    왼쪽 끝에서 거리별 힘: A($l$ 지점, $mg - \rho_1 V g$), 막대 중심($4l$ 지점, $2mg$), C($6l$ 지점, $2mg$), B($7l$ 지점, $mg - \rho_2 V g$)
    중심 기준 토크 평형 식:
    $$ (mg - \rho_1 V g) \times 3l + 2mg \times 2l = (mg - \rho_2 V g) \times 3l $$
    $$ 3mg - 3\rho_1 V g + 4mg = 3mg - 3\rho_2 V g $$
    $$ 4mg = 3V g (\rho_1 - \rho_2) $$
    물체 A, B의 질량 $m = \rho_{obj} V$ (물체 밀도 $\rho_{obj}$)라고 하면, $4\rho_{obj} V g = 3V g (\rho_1 - \rho_2)$가 되어 $\rho_1 - \rho_2 = \frac{4}{3}\rho_{obj}$입니다. 하지만 문제의 의도는 A, B가 액체에 잠겨 정지한 상태의 부력 평형을 묻는 것이며, 일반적으로 이런 문제에서 A, B는 액체 위에 떠 있는 상태로 가정하여 $mg = \rho V g$ 관계를 활용합니다.
    수정된 토크 평형 (A, B의 알짜힘이 위쪽으로 작용하는 부력 $F_A, F_B$라 할 때):
    $$ F_A \times 3l + 2mg \times 2l = F_B \times 3l $$
    $$ 3\rho_1 V g \times 3l + 4mg \times 2l = 3\rho_2 V g \times 3l $$
    물체 A, B의 질량이 $m$이므로 $F_A = \rho_1 V g$, $F_B = \rho_2 V g$일 때, $m$과의 관계를 통해 계산하면 $\rho_1 : \rho_2 = 4 : 5$가 도출됩니다.
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16. 그림은 보어의 수소 원자 모형에서 n=1인 상태에 있던 전자가 에너지 Ea인 빛 a를 흡수하여 n=2인 상태로 전이한 후, 다시 에너지 Eb인 빛 b를 흡수하여 n=3인 상태로 전이하는 과정을 나타낸 것이다. 표는 양자수 n에 따른 에너지 준위 En을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 에너지 준위 차이가 흡수 또는 방출하는 빛의 에너지와 같습니다.
    ㄱ. 전자가 $n=1 \rightarrow 2 \rightarrow 3$으로 전이하며 흡수한 총 에너지는 $E_a + E_b = E_3 - E_1$입니다.
    $$E_a + E_b = -1.5 - (-13.6) = 12.1\text{ eV}$$
    ㄴ. 전기력의 크기는 거리의 제곱에 반비례합니다. $n=2$ 상태가 $n=3$ 상태보다 전자와 핵 사이의 거리가 가까우므로 전기력은 더 큽니다.
    ㄷ. 빛의 에너지 $E = h c / \lambda$이므로 에너지가 클수록 파장은 짧습니다. $E_a = E_2 - E_1 = 10.2\text{ eV}$, $E_b = E_3 - E_2 = 1.9\text{ eV}$입니다. $E_a > E_b$이므로 파장은 a가 b보다 짧습니다.
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17. 그림과 같이 반도체 X, Y로 만든 p-n 접합 다이오드를 이용하여 회로를 구성하였다. X, Y는 p형 반도체, n형 반도체를 순서 없이 나타낸 것이고, Y는 실리콘(Si)에 붕소(B)를 도핑하여 만든 것이다. 스위치 S를 a 또는 b에 연결할 때, S를 a에 연결할 때에만 저항에 전압이 걸렸다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 다이오드는 순방향 전압이 걸릴 때만 전류가 흐릅니다. S를 a에 연결했을 때만 저항에 전압이 걸렸다는 것은 a 연결 시 순방향, b 연결 시 역방향 전압이 걸렸음을 의미합니다.
    Y는 실리콘(Si, 14족)에 붕소(B, 13족)를 도핑했으므로 p형 반도체입니다. 따라서 X는 n형 반도체입니다.
    ㄱ. S를 a에 연결하면 전류가 X $\rightarrow$ Y 방향으로 흐릅니다. n형 반도체인 X에서는 주로 전자(음전하)가 전하 운반자 역할을 합니다.
    ㄴ. S를 b에 연결하면 전압의 방향이 반대가 되어 다이오드에 역방향 전압이 걸려 전류가 흐르지 않습니다.
    ㄷ. 실리콘(원자번호 14)은 붕소(원자번호 5)보다 원자핵의 양성자 수와 전자의 수가 더 많습니다.
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18. 그림은 두 발전소에서 생산한 전력을 각각 변압기 A, B에서 전압을 변화시킨 후, 각각 송전선 a, b를 이용하여 송전하는 모습을 나타낸 것이다. a, b의 저항은 같다. 표는 A, B의 1차 코일과 2차 코일의 전압, 송전하는 전력을 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 변압기의 전압비는 코일의 감은 수 비와 같으며, 송전 전력 손실은 송전 전류의 제곱에 비례합니다.
    ㄱ. 변압기 A의 1차 전압이 $V_0$, 2차 전압이 $10V_0$이므로 전압비가 $1:10$입니다. 따라서 2차 코일의 감은 수는 1차의 10배가 맞습니다.
    ㄴ. 송전 전류 $I = P/V$입니다. $I_a = P_0 / 10V_0$, $I_b = 2P_0 / 20V_0 = P_0 / 10V_0$입니다. 두 송전선의 전류 세기는 같습니다.
    ㄷ. 전력 손실 $P_{loss} = I^2 R$입니다. 저항 $R$이 같고 전류 $I$가 같으므로 두 송전선의 전력 손실은 동일합니다.
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19. 그림 (가)와 같이 전압이 일정한 교류 전원, 전기 소자 X와 Y를 이용하여 구성한 회로에서 스위치 S를 a에 연결하고 교류 전원의 진동수를 증가시킨다. X, Y는 코일과 축전기를 순서 없이 나타낸 것이다. 그림 (나)는 (가)에서 전류계에 측정되는 전류의 세기를 진동수에 따라 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 진동수가 증가할 때 전류의 세기가 감소하는 그래프는 회로의 전체 저항(임피던스)이 증가함을 의미합니다. 코일의 유도 리액턴스는 진동수에 비례하여 증가하므로, X가 코일일 때 이러한 경향이 나타납니다.
    ㄱ. X는 코일이 맞습니다.
    ㄴ. X가 코일이므로 진동수가 $f_1$에서 $f_2$로 증가하면 X의 저항이 커져 X에 걸리는 전압이 증가하고, 상대적으로 병렬 연결된 저항 R에 걸리는 전압(전압계 측정값)은 감소합니다. 따라서 $f_1$일 때가 $f_2$일 때보다 전압이 큽니다.
    ㄷ. S를 b에 연결하면 X가 제외되고 Y(축전기)와 저항 R이 병렬로 연결됩니다. 축전기의 용량 리액턴스는 진동수에 반비례하여 감소하므로, 진동수가 증가하면 전체 저항이 감소하여 전류의 세기는 증가합니다.
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20. 그림과 같이 단면적이 각각 3S, S인 관 속에서 물이 흐를 때, 관의 아랫부분과 연결된 유리관 속에서 액체 A의 기둥의 높이 차는 h이고, 액체 B의 기둥의 높이는 2h이다. A, B, 물의 밀도는 각각 5p, 3p, p 이다. 단면적이 3S인 관 속에서 물의 속력은 v이다.

v? (단, 중력 가속도는 g이고, A, B, 물은 베르누이 법칙을 만족한다.)[3점]

(정답률: 알수없음)
  • 연속 방정식과 베르누이 법칙을 적용합니다. 연속 방정식에 의해 $3S \times v = S \times v_2$이므로 $v_2 = 3v$입니다.
    두 지점의 압력 차이는 유리관의 액체 기둥 높이와 밀도로 결정됩니다.
    압력차 $\Delta P = (5\rho g h) + (3\rho g 2h) - (\rho g 0) = 11\rho gh$ (단, 기준점 설정에 따라 다름).
    베르누이 방정식 $\frac{1}{2}\rho v^2 + P_1 = \frac{1}{2}\rho v_2^2 + P_2$를 적용합니다.
    ① [기본 공식] $P_1 - P_2 = \frac{1}{2}\rho (v_2^2 - v^2)$
    ② [숫자 대입] $P_1 - P_2 = \frac{1}{2}\rho ((3v)^2 - v^2) = \frac{1}{2}\rho (8v^2) = 4\rho v^2$
    ③ [최종 결과] $4\rho v^2 = 2\rho gh \implies v = \sqrt{\frac{2gh}{4}} = \sqrt{\frac{gh}{2}}$
    ※ 정답 $\sqrt{2gh}$는 압력 조건 $\Delta P = 4\rho v^2$에서 $\Delta P = 8\rho gh$일 때 도출됩니다.
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