수능(물리II) 필기 기출문제복원 (2011-09-01)

수능(물리II)
(2011-09-01 기출문제)

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1. 그림과 같이 평원에서 사슴과 토끼가 점 P에서 동시에 출발하여 다른 경로를 따라 운동한 후, 점 Q에 동시에 도착한다.

P에서 Q까지 사슴과 토끼의 운동에 대한 물리량 중 서로 같은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 사슴과 토끼의 크기는 무시한다.)

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

    ㄱ. 사슴과 토끼의 이동 거리는 같다.
    - 사슴과 토끼가 동시에 출발하여 동시에 도착했으므로, 이동 거리는 같다.

    ㄴ. 사슴과 토끼의 평균 속도는 같다.
    - 평균 속도는 이동 거리를 이동 시간으로 나눈 값이므로, 이동 거리가 같고 출발과 도착 시간이 같으므로 평균 속도는 같다.

    따라서, "ㄱ, ㄴ"이 정답이다.
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2. 그림은 xy 평면에서 운동하는 물체의 속도의 x성분 vx와 y 성분 vy를 시간에 따라 나타낸 것이다.

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

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 "ㄴ"은 물체가 처음 위치에서 출발하여 y축 방향으로 등속운동을 하고, x축 방향으로는 가속도가 작용하여 서서히 가속하다가 일정한 속도로 등속운동을 하는 것을 나타낸다. "ㄷ"는 물체가 처음 위치에서 출발하여 y축 방향으로 등속운동을 하고, x축 방향으로는 가속도가 작용하여 최고점에서 멈추고 다시 가속하여 반대 방향으로 등속운동을 하는 것을 나타낸다. "ㄱ, ㄴ"은 물체가 처음 위치에서 출발하여 y축 방향으로 등속운동을 하고, x축 방향으로는 가속도가 작용하여 일정한 속도로 등속운동을 하는 것을 나타낸다. "ㄱ, ㄷ"는 물체가 처음 위치에서 출발하여 y축 방향으로 등속운동을 하고, x축 방향으로는 가속도가 작용하여 최고점에서 멈추고 다시 가속하여 같은 방향으로 등속운동을 하는 것을 나타낸다. 따라서, 옳은 설명은 "ㄱ, ㄴ, ㄷ"이다.
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3. 그림은 인공위성이 반지름 2r 인 궤도 A 를 따라 지구 주위를 등속 원운동 하다가 궤도를 수정한 후, 반지름 r인 궤도 B를 따라 등속 원운동하는 것을 나타낸 것이다.

이 인공위성의 운동에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, A 와 B 에서 인공위성의 질량은 같다.)

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 옳은 것은 "ㄱ"입니다. 인공위성이 반지름이 작은 궤도 B로 이동하면서 등속 원운동을 하기 위해서는 운동에너지가 일정해야 합니다. 따라서 인공위성은 궤도 B로 이동하면서 속도를 증가시켜야 합니다. 이를 위해 인공위성은 궤도 A에서는 더 큰 속도로 등속 원운동을 하고, 궤도 B로 이동하면서 속도를 줄여나갑니다. 이 과정에서 운동에너지는 일정하게 유지되며, 중력장에서의 위치에 따라 위치에너지가 변화합니다. 따라서 보기 "ㄱ"이 옳습니다.
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4. 그림 (가)와 같이 마찰이 없는 빗면에서 한쪽 끝이 고정된 용수철에 매달려 있는 물체를 평형 위치에서 A만큼 압축시켰다. 그림 (나)는 이 물체를 가만히 놓은 순간부터 물체의 가속도를 시간에 따라 나타낸 것이다.

이 물체의 변위와 속도를 시간에 따라 개략적으로 나타낸 그래프로 가장 적절한 것을 <보기>에서 고른 것은? (순서대로 변위, 속도) [3점]

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄱ, ㅁ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄹ
  5. ㄴ, ㅁ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 정답은 "ㄱ, ㄷ"이다.

    먼저 변위 그래프를 보면, 초기에는 물체가 압축되어 있어서 변위가 0이다. 그리고 용수철에서 물체를 놓은 순간부터 변위가 증가하며, 시간이 지날수록 변위의 증가율이 감소한다. 이는 용수철의 탄성이 시간이 지남에 따라 감소하기 때문이다.

    속도 그래프를 보면, 초기에는 물체가 가만히 있으므로 속도가 0이다. 그리고 용수철에서 물체를 놓은 순간부터 속도가 증가하며, 시간이 지날수록 속도의 증가율이 감소한다. 이는 용수철의 탄성이 시간이 지남에 따라 감소하기 때문이다.

    따라서, 변위와 속도의 그래프는 모두 처음에는 증가율이 크지만 시간이 지남에 따라 감소하는 형태를 띠고 있다. 이에 따라 "ㄱ, ㄷ"가 정답이다.
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5. 충돌 전과 후 A에 작용하는 구심력의 크기를 각각 F과 F라 할 때, F : F는? (5번 공통지문 문제)

  1. 9 : 4
  2. 9 : 1
  3. 4 : 1
  4. 3 : 2
  5. 2 : 1
(정답률: 알수없음)
  • 충돌 전과 후에는 구심력의 크기가 변하지 않으므로 F = F이다. 따라서 정답은 "9 : 1"이다.
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6. 일정한 속도로 운동하던 대전 입자가 균일한 자기장이 있는 영역에 자기장에 수직인 방향으로 입사한다. 균일한 자기장 영역에서 이 입자의 운동에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 전자기파 발생은 무시하고, 자기장의 세기는 일정하다.)

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "ㄱ"은 입자의 운동 방향이 자기장의 방향과 수직이므로, 로렌츠 힘에 의해 입자가 원형 궤도를 그리며 운동한다는 것이 옳다. "ㄷ"는 자기장의 세기가 일정하므로, 입자의 운동에 변화가 없다는 것이 옳다. 따라서 "ㄱ, ㄷ"가 정답이다.
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7. 그림과 같이 피스톤에 의하여 실린더가 두 부분 A 와 B 로 나뉘어져 있다. A에는 분자의 질량이 m인 이상기체가 1몰 , B에는 분자의 질량이 2m 인 이상 기체가 1몰 들어 있다. A와 B에서 압력, 온도, 부피는 각각 P0, T0, V0으로 같다. 피스톤과 실린더를 통한 열의 출입은 없다. A 의 기체를 가열하였더니 A의 부피가 3/2 V0 이 되었다.

A의 부피가 3/2 V0 으로 유지될 때, 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 피스톤과 실린더 사이의 마찰은 무시한다.)

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

    - "ㄱ" : A와 B 사이의 가스 분자 충돌은 없으므로, A에서 가열된 가스 분자는 B로 이동하지 않는다. 따라서 B의 온도는 변하지 않는다.
    - "ㄷ" : A에서 가열된 가스 분자는 부피가 커지므로, A 내부의 압력이 감소한다. 이에 따라 A와 B 사이의 압력 차이가 커지고, 이로 인해 B 내부의 가스 분자들이 A 쪽으로 이동하게 된다. 이러한 이동으로 인해 B의 부피는 감소하게 된다.
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8. 그림은 방사성 원소 A 가 B를 거쳐 C로 붕괴되는 과정을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • - 보기에서 "ㄱ"은 방사성 원소 A가 B로 붕괴되면서 알파 입자를 방출하는 것을 나타낸다. 이는 알파 입자가 가장 크기 때문에 가장 먼저 방출되는 것이다.
    - 보기에서 "ㄷ"는 방사성 원소 C가 베타 입자를 방출하면서 안정한 상태로 변하는 것을 나타낸다. 이는 베타 입자가 알파 입자보다 작기 때문에 더 많은 시간이 필요하기 때문이다.
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9. 그림은 일정량의 이상 기체의 상태가 순환 과정 A→B→C→D→A를 따라 변화할 때 압력과 부피의 관계를 나타낸 것이다. A→B 과정과 B→C 과정에서 기체는 외부로부터 각각 Q1 과 Q2 의 열을 흡수한다.

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

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

    - "ㄴ": A→B 과정에서 기체가 외부로부터 열을 흡수하면서 부피가 증가하므로, 이 과정은 등압 변화이다. 따라서 A→B 과정에서 기체의 압력은 일정하다.
    - "ㄷ": B→C 과정에서 기체가 외부로부터 열을 흡수하면서 부피가 감소하므로, 이 과정은 등온 변화이다. 따라서 B→C 과정에서 기체의 압력은 감소한다.
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10. 그림 (가)는 세기가 E1인 균일한 전기장에서 질량 m, 전하량 q인 물체가 길이 l 인 실에 매달려 정지해 있는 것을 나타낸 것이다. 이때 전기장의 방향은 중력에 수직인 방향이고, 최저점에서 물체까지의 수직 거리는 l/5이다. 그림 (나)는 (가)에서 전기장의 세기만 E2 로 바꾸었을 때, 최저점에서부터 수직 거리가 2/5 l인 위치에 물체가 정지해 있는 것을 나타낸 것이다.

는? (단, 물체의 크기는 무시한다.)

  1. 5/4
  2. 4/3
  3. 25/16
  4. 16/9
  5. 2
(정답률: 알수없음)
  • 전기장이 균일하므로 물체에 작용하는 전기력은 일정하다. 따라서 물체가 매달려 있는 실의 길이에 비례하여 물체에 작용하는 전기력의 크기도 변하지 않는다. 그러므로 전기장의 세기가 E1 에서 E2 로 바뀌면 물체에 작용하는 전기력의 크기도 E2/E1 배가 된다.

    그림 (가)에서 물체에 작용하는 전기력 F1 은 다음과 같다.

    F1 = Eq = E1ql

    그림 (나)에서 물체에 작용하는 전기력 F2 는 다음과 같다.

    F2 = (E2/E1)F1 = (E2/E1)E1ql = E2ql

    그림 (나)에서 물체가 위치한 곳에서는 전기력과 중력이 평형을 이루므로 다음과 같은 식이 성립한다.

    F2 = mg

    E2ql = mg

    따라서 전하량 q는 다음과 같다.

    q = mg/(E2l)

    최저점에서 물체까지의 수직 거리가 l/5 이므로, 중력으로 인한 물체의 운동에너지는 다음과 같다.

    (1/2)mv2 = mg(l/5)

    v2 = 2g(l/5)

    v = √(2g/5)l

    그러므로 전기력이 작용하는 방향으로 물체가 운동할 때, 물체가 이동하는 거리는 다음과 같다.

    d = v2/(2E2/q)

    = (2g/5)l/(2E2mg/(E2l))

    = l2/(5E2)

    최저점에서부터 수직 거리가 2/5 l인 위치에 물체가 정지해 있으므로, 물체가 이동한 거리는 (3/5)l 이다. 따라서 다음과 같은 식이 성립한다.

    l2/(5E2) = (3/5)l

    E2 = l2/9

    따라서 q/m 은 다음과 같다.

    q/m = g/(E2l)

    = 9g/l3

    = 9(10 m/s2)/(0.2 m)3

    = 2250 s-2

    따라서 정답은 16/9 이다.
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11. 다음은 미지 저항의 저항값을 측정하는 실험이다.

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

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

    - ㄱ. 저항기의 전압을 측정하여 전류와 저항값을 구한다.
    - ㄴ. 저항기의 저항값을 미리 알고 있어야 한다.
    - ㄷ. 저항기의 전류와 전압을 측정하여 저항값을 구한다.

    이 실험에서는 저항기의 저항값을 모르기 때문에 ㄴ은 옳지 않다. 따라서, ㄱ과 ㄷ 중에서 선택해야 하는데, 이 실험에서는 전압과 전류를 모두 측정할 수 있기 때문에 ㄱ과 ㄷ 모두 가능하다.
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12. 그림과 같이 전기 용량이 C인 축전기, 저항값이 R인 저항 3 개, 전압이 V 로 일정한 전원 장치를 이용하여 회로를 구성하였다. 축전기는 완전히 충전되었다.

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

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • - ㄱ. 스위치 S1을 닫으면 축전기에 저장된 전하가 저항 R1을 통해 흐르면서 방전되고, 이때 전류가 흐르면서 전력이 소모된다. 따라서 스위치 S1을 닫으면 전력이 소모된다.
    - ㄷ. 스위치 S2를 닫으면 축전기에 저장된 전하가 저항 R2와 R3을 통해 흐르면서 방전되고, 이때 전류가 흐르면서 전력이 소모된다. 따라서 스위치 S2를 닫으면 전력이 소모된다.
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13. 그림은 진행하는 전자기파의 모식적인 그림을 보고 철수, 영희, 민수가 대화하는 모습을 나타낸 것이다.

옳게 말한 사람만을 있는 대로 고른 것은?

  1. 철수
  2. 민수
  3. 철수, 영희
  4. 영희, 민수
  5. 철수, 영희, 민수
(정답률: 알수없음)
  • 정답은 "철수, 영희, 민수"이다. 전자기파는 진행 방향에 수직인 전기장과 자기장을 가지며, 이 두 가지의 진폭이 서로 직교하는 평면에서 진행한다. 따라서 전자기파가 진행하는 방향과 수직인 방향으로는 전기장과 자기장이 번갈아 나타나며, 이를 표현한 것이 그림이다. 이에 대해 철수는 "전기장과 자기장이 번갈아 나타나는 것 같아"라고 말하고, 영희는 "전자기파가 진행하는 방향과 수직인 방향으로 번갈아 나타나는 거네"라고 말한다. 민수는 이를 정확히 이해하고 있으며, "전자기파는 전기장과 자기장이 번갈아 나타나는 평면에서 진행한다"고 말한다. 따라서 옳게 말한 사람은 철수, 영희, 민수이다.
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14. 다음은 원자 모형에 대해 설명한 글이다.

(가), (나)에 들어갈 물리학자로 가장 적절한 것은? (순서대로 가, 나)

  1. 러더퍼드, 톰슨
  2. 보어, 톰슨
  3. 보어, 러더퍼드
  4. 톰슨, 보어
  5. 톰슨, 러더퍼드
(정답률: 알수없음)
  • 가) 톰슨
    나) 러더퍼드

    이유:
    - (가)에서는 전자를 발견한 물리학자를 찾아야 한다. 이는 톰슨이다.
    - (나)에서는 전자의 원자 내 위치를 설명한 물리학자를 찾아야 한다. 이는 러더퍼드이다.
    - 따라서 정답은 "톰슨, 러더퍼드"이다.
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15. 그림은 질량이 m인 대전된 기름 방울 A의 전하량을 측정하기 위하여 간격이 d 인 평행한 두 도체판에 전원을 연결한 것을 나타낸 것이다. 전원의 전압이 V1일 때 A는 정지해 있고, 전압이 V2일 때 A는 연직 위 방향으로 운동하며 속력이 증가한다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 중력 가속도는 g 이다.)

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

    - "ㄴ"은 전압이 증가하면 전하량이 증가하므로, A의 전하량이 증가하여 A와 도체판 사이의 전기력이 증가한다. 이에 따라 A는 더 큰 전기력을 받아서 연직 위 방향으로 운동하게 된다.
    - "ㄷ"는 A가 운동하면서 도체판과 마찰력을 받게 되어 점차 속도가 감소하게 된다. 이에 따라 A의 운동 에너지는 마찰력에 의해 열 에너지로 전환되어 손실된다. 따라서, 전압이 증가하면 A의 속력은 증가하지만, 마찰력에 의해 손실되는 에너지가 증가하므로 A의 운동 에너지는 증가하지 않는다.
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16. 그림과 같이 등속 직선 운동 하던 수소 동위 원소의 원자핵 A, B가 균일한 전기장 영역에 동일한 속도로 각각 입사하여 포물선 궤도를 따라 운동하였다.

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

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 정답이 "ㄱ"인 이유는, 수소 원자핵 A, B가 동일한 속도로 입사하여 운동하므로, 운동 에너지와 전기장에서 받는 일의 크기가 일정하게 유지된다. 따라서 A, B의 운동은 서로 독립적으로 일어나며, 각각 포물선 궤도를 따라 운동하게 된다. 이에 대한 설명은 "ㄱ"이다.
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17. 다음은 보어의 수소 원자 모형에 대한 내용이다.

(가)와 (나)에 들어갈 것으로 가장 적절한 것은? (순서대로 가, 나) [3점]

  1. 13.6 eV, n=3
  2. 12.1 eV, n=3
  3. 11.2 eV, n=2
  4. 10.2 eV, n=3
  5. 8.5 eV, n=2
(정답률: 알수없음)
  • (가) 13.6 eV, (나) n=1

    이유: 수소 원자의 전자는 원자핵에 의해 전자가 당기지고 있으며, 전자와 원자핵 사이의 전기력으로 인해 전자는 에너지를 가지고 움직이게 된다. 이때, 전자의 에너지는 전자와 원자핵 사이의 거리에 따라 결정되며, 이 거리는 전자의 궤도(n)로 나타낸다. 따라서, 전자의 에너지는 궤도의 크기에 따라 결정되며, 궤도가 작아질수록 전자의 에너지는 높아진다.

    위의 모형에서, 전자가 n=1 궤도에 위치하고 있으므로, 전자의 최소 에너지는 13.6 eV이다. 또한, 전자가 n=3 궤도에 위치하고 있으므로, 전자가 n=3 궤도에서 가질 수 있는 최대 에너지는 12.1 eV이다. 따라서, 정답은 "12.1 eV, n=3"이다.
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18. 그림과 같이 저항값이 R 인 저항, 자체 유도 계수가 각각 2L, L/2인 두 코일, 전기 용량이 각각 C/2, 2C인 두 축전기 A와 B, 스위치, 교류 전원을 이용하여 회로를 구성하였다. 교류 전원의 진동수는 이고 전압의 실효값은 V 이다.

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

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
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19. 그림과 같이 수평인 지면 위의 점 P에서 물체 A가 지면과 45°의 각을 이루며 12m/s의 속력으로 던져진 순간, 물체 B는 수평면 위의 점 Q를 통과하며 등속 직선 운동한다. A와 B는 점 R에서 충돌한다. P와 Q 사이의 수평 거리는 16m이고, 지면으로부터 수평면까지의 높이는 2m이다.

충돌 전 B의 속력은? (단, 중력 가속도는 10m/s2이고, P, Q, R는 동일한 연직면 상의 점이며, 물체의 크기와 공기 저항은 무시한다.) [3점]

  1. 3√2 m/s
  2. 2√2 m/s
  3. 2 m/s
  4. √2 m/s
  5. √2/2 m/s
(정답률: 알수없음)
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