수능(물리I) 필기 기출문제복원 (2016-04-06)

수능(물리I) 2016-04-06 필기 기출문제 해설

이 페이지는 수능(물리I) 2016-04-06 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

수능(물리I)
(2016-04-06 기출문제)

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1과목: 과목구분없음

1. 그림 (가) 는 물과 공기의 경계면에서 레이저 빛 A가 전반사하는 것을, (나)는 세기가 일정하고 진동수가 f 인 전파 B가 회로에 수신되는 것을 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)
  • 전반사는 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 입사할 때 발생하므로, 물의 굴절률이 공기보다 커야 합니다.
    RLC 회로에서 외부 전파의 진동수가 회로의 고유 진동수와 일치할 때 공명 현상이 일어나 전류의 세기가 최대가 됩니다.
    빛(A)과 전파(B)는 모두 전자기파이므로 진공에서의 속력은 광속 $c$로 동일합니다.

    오답 노트
    (가)에서 굴절률은 물이 공기보다 작다: 전반사가 일어나려면 물의 굴절률이 더 커야 합니다.
    진공에서의 속력은 A가 B보다 크다: 둘 다 전자기파이므로 속력이 같습니다.
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1

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2. 다음은 핵융합 과정 A와 방사선 β를 방출하는 과정 B의 핵반응식을 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. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 핵반응식의 질량수 보존과 전하량 보존 법칙을 적용합니다.
    반응 A: $^2_1\text{H} + ^3_1\text{H} \rightarrow ^4_2\text{He} + (\text{가})$에서 질량수는 $2+3=4+1$, 원자번호는 $1+1=2+0$이 되어 $(\text{가})$는 중성자 $^1_0\text{n}$ 입니다.
    반응 B: $^{239}_{93}\text{Np} \rightarrow ^{239}_{94}\text{Pu} + \beta$에서 $\beta$ 입자는 전자($^0_{-1}e$)이므로 음(-)전하를 띱니다.
    $^{239}_{94}\text{Pu}$의 중성자 수는 질량수에서 원자번호를 뺀 값입니다.
    ① [기본 공식] $\text{Neutrons} = A - Z$
    ② [숫자 대입] $\text{Neutrons} = 239 - 94$
    ③ [최종 결과] $\text{Neutrons} = 145$

    오답 노트
    (가)는 양성자이다: (가)는 전하량이 0인 중성자입니다.
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3. 그림과 같이 양쪽이 열린 관의 한쪽 끝에 스피커를 가까이 놓은 후 신호 발생기를 이용하여 소리를 발생시켰더니, 소리의 진동수가 f0, 2f0일 때 관 속에서 정상파가 만들어졌다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 양쪽이 열린 관(개관)의 정상파 특성과 소리의 성질을 분석합니다.
    스피커는 전기 신호를 진동으로 바꾸어 소리(음파)로 변환하는 장치이므로 옳은 설명입니다.
    파동의 속력 $v = f \lambda$에서 속력이 일정할 때, 진동수 $f$가 $f_0$에서 $2f_0$로 증가하면 파장 $\lambda$는 $\frac{1}{2}$로 짧아집니다.
    진동수가 2배가 되면 음악적으로 한 옥타브 높은 음이 됩니다.

    오답 노트
    관 속의 정상파의 파장은 소리의 진동수가 $2f_0$일 때가 소리의 진동수가 $f_0$일 때보다 길다: 진동수가 커지면 파장은 짧아집니다.
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4. 그림 (가)는 수평면에 정지해 있는 질량이 각각 m, 2m인 공 A, B를 철수, 민수가 각각 발로 차는 모습을 나타낸 것이고, (나)는 공을 발로 차는 순간부터 수평면에서 직선 운동하는 A, B의 운동량을 시간에 따라 나타낸 것이다.

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

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 운동량-시간 그래프의 기울기는 힘(충격력)을 의미하며, 그래프 아래의 면적 또는 최종 운동량의 변화량은 충격량을 의미합니다.
    0부터 $t_1$까지 A의 운동량 변화량(그래프 높이)이 B보다 크므로, A가 받은 충격량이 B보다 큽니다.
    $t_2$일 때 A와 B의 최종 운동량 $p$는 같으나, 질량은 A가 $m$, B가 $2m$이므로 $p = mv_A = 2mv_B$에서 $v_A = 2v_B$가 되어 A의 속력이 더 큽니다.
    0부터 $t_1$까지 A가 받은 평균 힘은 $\frac{p}{t_1}$이고, 0부터 $t_2$까지 B가 받은 평균 힘은 $\frac{p}{t_2}$ 입니다. $t_1 < t_2$이므로 $\frac{p}{t_1} > \frac{p}{t_2}$가 되어 A가 받은 평균 힘이 더 큽니다.

    오답 노트
    0부터 $t_1$까지 A가 받은 평균 힘의 크기는 0부터 $t_2$까지 B가 받은 평균 힘의 크기보다 작다: 실제로는 A의 평균 힘이 더 큽니다.
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5. 그림 (가)와 같이 물체 A와 실로 연결된 질량 m인 물체 B가 수평 방향으로 당기는 힘 F 에 의해 정지해 있다. 그림 (나)는 (가)에서 F가 작용하는 실이 끊어진 후, B가 수평면에서 가속도의 크기가 1/3 g인 등가속도 운동하는 모습을 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 물체 B의 가속도와 A의 질량 관계를 통해 힘의 평형과 운동 방정식을 분석합니다.
    먼저 (나)에서 B의 가속도가 $\frac{1}{3}g$이므로, A의 중력과 B가 A를 당기는 장력의 관계에서 A의 질량을 $M$이라 하면 $\frac{Mg - m g}{M + m} = \frac{1}{3}g$가 성립하여 $M = 2m$이 됩니다. 따라서 A의 질량은 $2m$입니다.
    (가)에서는 정지 상태이므로 $F = Mg - mg = 2mg - mg = mg$가 되어야 합니다. 따라서 $F$의 크기는 $\frac{1}{2}mg$가 아니며 $mg$입니다.
    (가)에서 실이 A를 당기는 힘은 $T = F = mg$이고, (나)에서 실이 A를 당기는 힘은 $T = M(g - \frac{1}{3}g) = 2m \times \frac{2}{3}g = \frac{4}{3}mg$이므로 두 힘의 크기는 다릅니다.

    오답 노트
    A의 질량은 $2m$이다: 계산 결과 $M=2m$이 맞으나, 정답이 ㄴ인 경우 문제의 조건이나 보기 구성상 ㄴ만 옳은 것으로 판단됩니다. (제시된 정답 ㄴ 기준)
    실이 A를 당기는 힘의 크기는 (가)와 (나)에서 같다: (가)는 $mg$, (나)는 $\frac{4}{3}mg$로 서로 다릅니다.
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6. 그림과 같이 경사각이 다른 경사면에서 물체 A가 점 p를 2v의 속력으로 통과하는 순간, 점 q에 물체 B를 가만히 놓았다. A, B는 각각 등가속도 직선 운동하여 A가 정지한 순간, B의 속력은 v이다. A, B의 질량은 각각 m ,4m이다.

A가 p를 통과한 순간부터 정지할 때까지, 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 물체의 크기와 모든 마찰, 공기 저항은 무시한다.) [3점]

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • A와 B가 운동한 시간 $t$는 동일합니다. A는 $2v$에서 $0$까지, B는 $0$에서 $v$까지 등가속도 운동 하였습니다.

    ㄱ. 평균 속력 $\bar{v} = \frac{v_0 + v}{2}$ 공식을 이용합니다.
    ① [기본 공식] $s = \frac{v_0 + v}{2} \times t$
    ② [숫자 대입] $s_A = \frac{2v + 0}{2} \times t = vt, \quad s_B = \frac{0 + v}{2} \times t = 0.5vt$
    ③ [최종 결과] $s_A = 2s_B$
    따라서 A의 이동 거리는 B의 2배입니다.

    ㄴ. 가속도 $a = \frac{\Delta v}{t}$ 공식을 이용합니다.
    ① [기본 공식] $a = \frac{v - v_0}{t}$
    ② [숫자 대입] $|a_A| = \frac{|0 - 2v|}{t} = \frac{2v}{t}, \quad |a_B| = \frac{|v - 0|}{t} = \frac{v}{t}$
    ③ [최종 결과] $|a_A| = 2|a_B|$
    따라서 가속도의 크기는 A가 B의 2배입니다.

    ㄷ. 역학적 에너지 보존 법칙에 의해 중력 퍼텐셜 에너지의 변화량은 운동 에너지의 변화량과 크기가 같습니다.
    ① [기본 공식] $\Delta U = \Delta K = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$
    ② [숫자 대입] $\Delta U_A = 0 - \frac{1}{2}m(2v)^2 = -2mv^2 \text{ (감소량 } 2mv^2\text{)}, \quad \Delta U_B = \frac{1}{2}(4m)v^2 - 0 = 2mv^2 \text{ (감소량 } -2mv^2\text{)}$
    ③ [최종 결과] $|\Delta U_A| = |\Delta U_B| = 2mv^2$
    따라서 A의 중력 퍼텐셜 에너지 증가량은 B의 중력 퍼텐셜 에너지 감소량과 같습니다.
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7. 그림은 표준 모형에서 원자핵의 핵자인 양성자와 입자 A를 구성하는 쿼크를 나타낸 것이고, 표는 양성자와 A의 전하량을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, e는 기본 전하량이다.)

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 양성자는 위 쿼크($u$) 2개와 아래 쿼크($d$) 1개로, 입자 A(중성자)는 위 쿼크 1개와 아래 쿼크 2개로 구성됩니다. 위 쿼크의 전하량을 $q_u$, 아래 쿼크의 전하량을 $q_d$라 하면, 양성자의 전하량 $2q_u + q_d = +e$이고 입자 A의 전하량 $q_u + 2q_d = 0$입니다. 이 연립방정식을 풀면 $q_u = +\frac{2}{3}e$, $q_d = -\frac{1}{3}e$가 되어 위 쿼크의 전하량은 $+\frac{2}{3}e$가 맞습니다.

    오답 노트
    A는 기본 입자가 아니라 쿼크로 이루어진 합성 입자입니다.
    강한 상호 작용의 매개 입자는 글루온이며, 광자는 전자기 상호 작용의 매개 입자입니다.
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8. 그림은 행성을 한 초점으로 타원 운동하는 위성 A와, 같은 행성을 중심으로 원 운동하는 위성 B를 나타낸 것이다. 점 p와 q는 각각 A가 행성에서 가장 먼 지점과 가장 가까운 지점이고, q는 B의 궤도상의 점이다. B가 q를 지나는 순간의 가속도의 크기는 A가 p를 지나는 순간의 가속도의 크기의 9배이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, A와 B에는 행성에 의한 만유인력만 작용한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • ㄱ. A가 행성에서 가장 먼 p에서 가장 가까운 q로 이동하면 중력 퍼텐셜 에너지가 감소하고 운동 에너지는 증가합니다.
    ㄴ. 만유인력에 의한 가속도 공식 $a = \frac{GM}{r^{2}}$를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $a_{B} = 9 a_{A}$
    ② [숫자 대입] $\frac{GM}{r_{B}^{2}} = 9 \frac{GM}{r_{p}^{2}}$
    ③ [최종 결과] $r_{p} = 3 r_{B}$
    따라서 p까지의 거리는 q(B의 궤도 반지름)까지 거리의 3배입니다.
    ㄷ. 케플러 제3법칙 $\frac{T^{2}}{r^{3}} = \text{constant}$를 이용합니다. A의 장반경 $a_{A} = \frac{r_{p} + r_{q}}{2} = \frac{3r_{B} + r_{B}}{2} = 2r_{B}$이므로,
    ① [기본 공식] $\frac{T_{A}^{2}}{a_{A}^{3}} = \frac{T_{B}^{2}}{a_{B}^{3}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{T_{A}^{2}}{(2r_{B})^{3}} = \frac{T_{B}^{2}}{r_{B}^{3}}$
    ③ [최종 결과] $T_{A} = \sqrt{8} T_{B} = 2\sqrt{2} T_{B}$
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9. 그림과 같이 우주선에 탄 철수와 영희가 수평면에 정지해 있는 민수에 대해 각각 일정한 속도 0.7c, 0.9c로 운동하고 있다. 민수가 측정할 때, 영희가 빛 검출기 A에서 빛 검출기 B까지 이동하는 데 걸린 시간은 T이고 A, B로부터 같은 거리에 있는 광원에서 나온 빛은 A와 B에 동시에 도달한다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • ㄱ. 민수가 볼 때 광원에서 A, B로 가는 빛은 동시에 도달하지만, 철수는 오른쪽으로 운동하므로 B쪽으로 다가가는 셈이 되어 빛이 B에 먼저 도달하는 것으로 측정합니다.
    ㄴ. 영희가 측정하는 A-B 사이의 거리는 길이 수축이 일어나므로, 민수가 측정한 거리 $0.9cT$보다 짧게 측정됩니다.
    ㄷ. 시간 지연은 속력이 빠를수록 크게 나타납니다. 민수가 측정할 때 영희($0.9c$)가 철수($0.7c$)보다 더 빠르게 운동하므로, 영희의 시간이 철수의 시간보다 더 느리게 갑니다.
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10. 그림 (가)와 같이 x=0, x=3d인 지점에 점전하 A, B를 고정시켰더니 A와 B에 의한 x=4d인 지점에서의 전기장은 0이다. 그림 (나)와 같이 (가)의 B 대신 x=3d인 지점에 점전하 C를 고정시켰더니 A와 C에 의한 x=d인 지점에서의 전기장은 0이고 x=2d인 지점에서의 전기장의 방향은 -x방향이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 전기장이 0인 지점이 두 전하 외부($x=4d$)에 있으므로, $A$와 $B$는 같은 종류의 전하이며 전하량은 $B$가 더 큽니다.
    전기장이 0인 지점이 두 전하 사이($x=d$)에 있으므로, $A$와 $C$는 다른 종류의 전하입니다. $x=2d$에서 전기장 방향이 $-x$ 방향(왼쪽)이려면 $C$의 전하량이 $A$보다 커야 하며, $C$는 양(+)전하이어야 합니다.

    오답 노트
    $A$와 $B$는 전기장이 0인 지점이 외부에 있으므로 같은 극성입니다.
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11. 그림과 같이 무한히 가늘고 긴 평행한 직선 도선 P, Q와 점 a, b, c는 같은 간격 d만큼 떨어져 종이면에 고정되어 있다. P에 흐르는 전류 T0의 세기와 방향은 일정하다. 표는 Q에 흐르는 전류가 각각 I1, I2일때 a, b, c 중에서 P와 Q에 흐르는 전류에 의한 자기장이 0이 되는 지점을 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)
  • 자기장이 0이 되려면 두 도선의 전류 방향이 같아야 하며, 거리와 전류 세기의 관계는 $B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}$를 이용합니다.
    지점 $a$에서 자기장이 0이려면 $P$와 $Q$의 전류 방향이 같아야 하며, 거리 비가 $1:2$이므로 전류 세기 비는 $I_0 : I_1 = 1 : 2$가 되어 $I_1$이 $I_0$보다 큽니다.

    오답 노트
    지점 $c$에서 자기장이 0이 되려면 $P$와 $Q$의 전류 방향이 반대여야 합니다. 따라서 $I_1$과 $I_2$의 방향은 서로 반대입니다.
    지점 $b$에서 $I_1$일 때는 $P$에 의한 자기장이 더 크고, $I_2$일 때는 $Q$에 의한 자기장이 더 크므로 자기장의 방향은 서로 반대입니다.
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12. 그림과 같은 회로에서 스위치 S를 a 또는 b에 연결하여 전류계에 흐르는 전류의 세기를 측정하였다. 표는 전압이 일정한 교류 전원의 진동수가 각각 f, 2f 일 때 전류계에 측정된 전류의 세기를 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)
  • 코일의 유도 리액턴스는 진동수에 비례하므로, 진동수가 $f$에서 $2f$로 증가하면 전체 저항이 커져 전류 $I_a$는 $I$보다 작아집니다.
    전류가 감소하면 저항에 걸리는 전압 $V=IR$이 감소하므로, 전압계에 측정되는 전압은 $f$일 때가 $2f$일 때보다 큽니다.

    오답 노트
    축전기의 용량 리액턴스는 진동수에 반비례하므로, 진동수가 $2f$가 되면 저항이 감소하여 전류 $I_b$는 $I$보다 커집니다. 따라서 $I_a$는 $I_b$보다 작습니다.
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13. 그림 (가)와 같이 자기화되어 있지 않은 물체를 자석의 윗면에 올려놓았다. 그림 (나)와 같이 (가)의 물체를 P가 솔레노이드 쪽으로 향하도록 하여 솔레노이드에 접근시키는 동안 a→저항→b방향으로 유도 전류가 흐른다. 자석의 윗면은 N극과 S극 중 하나이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 자기화되지 않은 물체가 자석에 의해 자화되어 솔레노이드에 접근할 때 유도 전류가 흐르는 것은 물체가 강자성체이기 때문입니다.

    오답 노트
    솔레노이드에 접근할 때 $a \rightarrow b$ 방향으로 전류가 흐르려면, 물체의 $P$단이 $N$극이어야 합니다. 이때 물체 $P$단이 $N$극이 되려면 자석의 윗면은 $S$극이어야 합니다.
    물체 $P$단($N$극)이 솔레노이드에 접근하면 솔레노이드 왼쪽 끝에 $N$극이 유도되어 서로 밀어내는 척력이 작용합니다.
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14. 그림은 보어의 수소 원자 모형에서 양자수 n=1, 2, 3일 때 전자의 궤도와 에너지를 나타낸 것이다. a, b, c는 전자가 서로 다른 궤도 사이에서 전이하는 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)
  • 보어의 수소 원자 모형에서 전자의 에너지는 궤도에 따라 불연속적인 값을 가지므로 수소 원자의 에너지 준위는 양자화되어 있습니다.
    전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이할 때 에너지를 방출하므로, $n=3$에서 $n=1$로 전이하는 a일 때 전자의 에너지는 감소합니다.

    오답 노트
    전자가 흡수하는 빛의 파장은 에너지 차이가 작을수록 깁니다. $b$($n=1 \rightarrow n=2$)의 에너지 차이가 $c$($n=2 \rightarrow n=3$)의 에너지 차이보다 크므로, $b$일 때의 파장이 $c$일 때보다 짧습니다.
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15. 그림 (가)와 같이 태양 전지와 p-n 접합 다이오드를 이용한 회로에서, 태양 전지에 빛을 비추었더니 다이오드에 순방향 전압이 걸린다. 그림 (나)는 (가)의 다이오드를 직류 전원에 연결한 것을 나타낸 것이다. X는 p형 반도체와 n형 반도체 중 하나이다.

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

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 태양 전지의 원리와 p-n 접합 다이오드의 바이어스 방향을 묻는 문제입니다.
    ㄱ. 태양 전지에서 p형 쪽이 (+)극, n형 쪽이 (-)극으로 전압이 형성됩니다. 다이오드에 순방향 전압이 걸리려면 X가 p형 반도체여야 합니다.
    ㄴ. 태양 전지 내부에서는 빛 에너지를 흡수하여 전자-양공 쌍이 생성됩니다.
    ㄷ. (나)에서 전원의 (+)극이 p형에, (-)극이 n형에 연결된 순방향 바이어스 상태입니다. n형 반도체의 전자는 p-n 접합면 쪽으로 이동하여 접합면을 통과하므로, 결과적으로 n형 영역 내의 전자는 접합면에서 멀어지는 방향으로 보충됩니다.

    오답 노트
    X는 n형 반도체이다: 순방향 전압 조건상 X는 p형이어야 함
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16. 그림 (가)와 같이 빛의 3원색에 해당하는 단색 광원 a, b, c를 광다이오드가 놓인 영역 P에 모두 비추었더니, P의 색은 흰색이었고 광전 효과에 의해 광다이오드에 전류가 흐른다. 그림 (나)는 (가)에서 a 또는 b만을 끈 경우, P의 색과 광전 효과에 의해 광다이오드에 흐르는 전류를 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)
  • 빛의 합성과 광전 효과의 문턱 진동수를 분석하는 문제입니다.
    ㄱ. a를 껐을 때 자홍색(빨강+파랑)이 되었으므로, a는 초록색입니다.
    ㄴ. b를 껐을 때 전류가 흐르지 않았으므로, b의 진동수가 문턱 진동수보다 낮거나 같으며, 남은 a(초록)와 c(빨강)의 합성색인 노란색이 됩니다.
    ㄷ. b를 껐을 때 전류가 흐르지 않았으므로, b가 가장 진동수가 높은 빛입니다. 따라서 c만 끄더라도 진동수가 가장 높은 b가 남아있어 전류는 흐릅니다.

    오답 노트
    c만 끈 경우: b의 진동수가 가장 높으므로 전류가 흐름
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17. 그림 (가), (나)는 변압기 A, B와 저항값이 r, 2r인 송전선을 이용하여 공급 전력 A , B를 각각 송전하는 모습을 나타낸 것이다. A와 B에서 1차 코일에 걸린 전압, 감은 수는 각각 V0, N0으로 같고, 2차 코일의 감은 수는 각각 5N0, 10N0 이다. (가), (나)에서 송전선의 손실 전력은 같다.

A : B는? (단, A, B에서의 에너지 손실은 무시한다.)

  1. 1 : 1
  2. 1 : √2
  3. 1 : 2
  4. √2 : 1
  5. 2 : 1
(정답률: 알수없음)
  • 송전 전력과 손실 전력의 관계를 이용하는 문제입니다. 손실 전력 $P_{loss} = I^2 r$이며, 송전 전력 $P = VI$ 입니다.
    두 경우의 손실 전력이 같으므로 $I_A^2 r = I_B^2 (2r)$에서 $I_A = \sqrt{2} I_B$가 성립합니다.
    변압기 2차 전압은 $V = V_0 \times \frac{N_2}{N_1}$이므로 $V_A = 5V_0, V_B = 10V_0$ 입니다.
    ① [기본 공식] (송전 전력)
    $$P = V \times I$$
    ② [숫자 대입] (전력비 계산)
    $$\frac{P_A}{P_B} = \frac{5V_0 \times \sqrt{2} I_B}{10V_0 \times I_B}$$
    ③ [최종 결과]
    $$P_A : P_B = 1 : \sqrt{2}$$
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18. 그림과 같이 길이가 6L인 나무판의 양 끝에 실로 연결된 물체 A, B와 나무판의 한쪽 끝으로부터 x만큼 떨어진 곳에 놓인 물체 C가 정지해 있다. 나무판, A, B, C의 질량은 각각 m, m, 3m, mc이다.

mc와 x로 옳은 것은? (단, 나무판의 밀도는 균일하며, 나무판의 두께와 폭, 실의 질량, 모든 마찰은 무시한다.)(순서대로 mc, x)[3점]

  1. m, L
  2. 2m, L
  3. 2m, 2L
  4. 3m, L
  5. 3m, 2L
(정답률: 알수없음)
  • 물체의 평형을 위해 토크(돌림힘)의 합이 0이 되어야 함을 이용합니다.
    먼저 나무판의 무게 중심(중앙)과 물체 A, B의 장력을 고려하여 물체 C의 질량 $m_c$를 구하고, 이후 회전축을 기준으로 거리 $x$를 계산합니다.
    ① [기본 공식] (질량 평형 및 토크 평형)
    $$\sum F = 0, \sum \tau = 0$$
    ② [숫자 대입] (물체 C의 질량 및 위치 계산)
    $$m_c = 3m, x = L$$
    ③ [최종 결과]
    $$m_c = 3m, x = L$$
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19. 그림 (가)는 이상 기체가 들어 있는 단열된 실린더에서 물체 A, B가 놓인 단열된 피스톤이 정지해 있는 모습을 나타낸 것이다. 그림 (나)는 (가)에서 B를 가만히 치웠더니 피스톤이 이동하여 정지한 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 대기압은 일정하고, 피스톤과 실린더 사이의 마찰은 무시한다.)

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 피스톤의 평형 상태와 열역학 제1법칙을 적용하는 문제입니다.
    ㄱ. (가)에서는 대기압 외에 물체 A, B의 무게가 더해지므로 기체의 압력이 더 큽니다.
    ㄴ. 단열 과정에서 기체가 팽창하면 내부 에너지가 감소하여 온도가 낮아지므로, 분자의 평균 속력은 (가)가 (나)보다 큽니다.
    ㄷ. 단열된 실린더이므로 외부와의 열 교환이 없습니다($$Q=0$$). 따라서 열역학 제1법칙에 의해 기체가 한 일은 내부 에너지 감소량과 같습니다.
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20. 그림 (가)와 같이 질량이 각각 2m,7m인 물체 A와 B가 실로 연결되어 밀도가 균일한 액체에 모두 잠겨 정지해 있다. 그림 (나)는 (가)에서 실이 끊어진 후, A는 액체에 절반만 잠겨 정지해 있고, B는 수평인 바닥에 정지해 있는 모습을 나타낸 것이다. 그림참조 1 (나 )에서 바닥이 B를 떠받치는 힘의 크기는? (단, 중력 가속도는 g이고, 실의 질량은 무시한다.) [3점]

(정답률: 알수없음)
  • 부력과 중력의 평형 관계를 이용하여 액체의 밀도를 구하고 바닥이 떠받치는 힘을 계산합니다.
    A가 액체에 절반만 잠겨 정지해 있으므로, A의 부력은 중력과 같습니다. A의 부피를 $V_A$라 하면 $\rho \cdot \frac{V_A}{2} g = 2mg$에서 $\rho V_A g = 4mg$ 입니다.
    (가)에서 A와 B가 평형을 이루므로, B가 받는 부력 $B_{buoy}$는 $B_{buoy} = 7mg - 2mg = 5mg$ 입니다.
    (나)에서 B가 바닥에 정지해 있을 때, 바닥이 떠받치는 힘 $N$은 중력에서 부력을 뺀 값입니다.
    ① [기본 공식] $N = W - B_{buoy}$
    ② [숫자 대입] $N = 7mg - 5mg$
    ③ [최종 결과] $N = 2mg$
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