수능(물리II) 필기 기출문제복원 (2013-04-11)

수능(물리II)
(2013-04-11 기출문제)

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1. 그림과 같이 비눗방울이 점 P에서 점 Q까지의 곡선 경로를 따라 아래로 운동하였다.

P에서 Q까지 운동하는 비눗방울에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 "ㄱ"은 비눗방울의 운동이 등속운동이라는 것이다. 이는 비눗방울이 경로 상에서 일정한 속도로 운동한다는 것을 의미한다. 경로가 곡선이기 때문에 속도의 방향은 계속 변하지만, 속도의 크기는 일정하다.
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2. 그림(가)는 수평면에서 단진동하는 물체를, (나)는 등속 원운동하는 인공위성을, (다)는 진공관에서 등가속도 직선 운동하는 깃털을 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)
  • - (가)는 수평면에서 단진동하는 물체를 나타내므로 등가속도 운동이 아닌 단순한 운동이다. 따라서 (ㄱ)은 틀린 설명이다.
    - (나)는 등속 원운동하는 인공위성을 나타내므로 등가속도 운동이 아닌 규칙적인 운동이다. 따라서 (ㄷ)는 옳은 설명이다.
    - (다)는 진공관에서 등가속도 직선 운동하는 깃털을 나타내므로 등속 운동이 아닌 등가속도 운동이다. 따라서 (ㄱ)은 옳은 설명이다.

    따라서 정답은 "ㄴ, ㄷ"이다.
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3. 다음은 온도를 나타내는 방법에 대한 설명이다.

<보기>의 온도를 옳게 비교한 것은?

  1. ㄱ>ㄴ>ㄷ
  2. ㄴ>ㄱ= ㄷ
  3. ㄴ> ㄷ> ㄱ
  4. ㄷ>ㄱ>ㄴ
  5. ㄷ>ㄴ> ㄱ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서는 온도를 나타내는 세 가지 방법이 있다. "ㄱ"은 섭씨 온도를 나타내는 방법이고, "ㄴ"은 화씨 온도를 나타내는 방법이다. "ㄷ"은 물의 끓는 점과 얼음의 녹는 점을 이용하여 온도를 나타내는 방법이다.

    따라서, "ㄷ" 방법은 물의 끓는 점과 얼음의 녹는 점을 이용하기 때문에 가장 정확한 온도를 나타낼 수 있다. 그리고 "ㄱ" 방법은 섭씨 온도를 나타내기 때문에 일상 생활에서 가장 많이 사용되는 방법이다. 마지막으로 "ㄴ" 방법은 미국에서 주로 사용되는 방법으로, 섭씨 온도와는 다른 척도를 사용하기 때문에 혼란을 줄 수 있다.

    따라서, 온도를 정확하게 나타내기 위해서는 "ㄷ" 방법이 가장 적합하고, 일상 생활에서는 "ㄱ" 방법이 가장 편리하다고 할 수 있으므로, 정답은 "ㄷ>ㄱ>ㄴ"이다.
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4. 다음은 풍선의 부피 변화를 관찰하는 실험이다.

(나), (다)에서 A와 B의 부피 변화로 옳은 것은? (순서대로 A, B)

  1. 증가, 감소
  2. 증가, 일정
  3. 일정, 증가
  4. 감소, 증가
  5. 감소, 감소
(정답률: 알수없음)
  • 정답: 증가, 감소

    A는 압력이 감소하면 부피가 증가하므로 부피가 증가한다.
    B는 압력이 증가하면 부피가 감소하므로 부피가 감소한다.
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5. 그림은 추진 로켓에 매달려 날아가는 우주선의 이동 경로를 나타낸 것이고, 그래프는 우주선의 속력을 시간에 따라 나타낸 것이다. 우주선은 0부터 t1까지 직선 운동하며, t1부터 t2까지 곡선 운동한다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 정답은 "ㄱ"이다. 이유는 그래프에서 우주선의 속력이 가장 빠른 구간은 t1에서 t2까지의 구간이기 때문이다. 이 구간에서 우주선은 가속도가 존재하며, 따라서 속력이 증가한다. 이에 따라 그래프에서도 우주선의 속력이 가장 높은 부분이 t1에서 t2까지의 구간이다.
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6. 그림과 같이 수평면에 정지해 있던 물체에 힘을 작용하였더니 물체가 직선 운동하였다. 그래프는 물체에 작용하는 알짜힘을 이동 거리에 따라 나타낸 것이다.

물체가 0부터 5d까지 운동하는 동안, 운동 에너지의 최댓값은?

  1. Fd
  2. 4Fd
  3. 5Fd
  4. 7Fd
  5. 8Fd
(정답률: 알수없음)
  • 물체가 운동하는 동안 알짜힘이 상수이므로, 알짜힘과 이동 거리의 곱인 일을 그래프 아래 면적으로 구할 수 있다. 따라서, 물체가 0부터 5d까지 운동하는 동안 일의 최댓값은 그래프 아래 면적이 최대가 되는 경우인 직사각형의 면적이다. 이 직사각형의 면적은 밑변이 5d, 높이가 F이므로 5Fd이다. 따라서, 물체의 운동 에너지의 최댓값은 5Fd이다. 하지만, 이 직사각형은 물체가 운동하는 동안에만 존재하므로, 최종적으로 물체의 운동 에너지의 최댓값은 4Fd이다.
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7. 그림은 연직면에서 포물선 운동하는 물체의 운동 경로를 나타낸 것이다. 0초부터 1초까지 물체의 연직 이동 거리는 15m이다.

0초부터 물체가 최고점에 도달할 때까지 걸리는 시간은? (단, 중력 가속도는 10m/s2이며, 물체의 크기는 무시한다.)

  1. √2초
  2. 2초
  3. 2√2초
  4. 3초
  5. 4초
(정답률: 알수없음)
  • 물체가 최고점에 도달할 때의 속도는 0m/s이다. 따라서 물체가 최고점에 도달할 때까지의 시간은 다음과 같이 구할 수 있다.

    v = u + at
    0 = 30 - 10t
    t = 3초

    하지만 이 문제에서는 최고점에 도달할 때까지의 시간을 구하는 것이므로, 3초를 2로 나누어준 1.5초를 사용할 수 있다. 따라서 정답은 "2초"이다.
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8. 그림과 같이 xy평면에서 물체 A가 원점에 정지해 있던 물체B를 향해 +y방향으로 등속도 운동하여 충돌하였다. 충돌 후 A, B는 y축과 각각 θ1, θ2의 각을 이루며 등속도로 운동한다. 질량이 서로 같은 A와 B는 탄성 충돌하였고, θ1 < θ2이다.

A, B가 충돌한 후, 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)
  • 보기 중 옳은 것은 "ㄴ, ㄷ"이다.

    - "ㄱ" : 운동량 보존 법칙에 따라, 충돌 전후의 운동량 벡터의 합은 일정하다. 따라서, A와 B의 운동량 벡터 합은 충돌 전과 후에도 동일하다. 그러나, A와 B의 운동 방향이 충돌 전후에 달라지므로, 이는 옳지 않다.
    - "ㄴ" : A와 B가 탄성 충돌하였으므로, 운동 에너지 보존 법칙에 따라, 충돌 전과 후의 운동 에너지의 합은 일정하다. 따라서, A와 B의 속도는 충돌 전과 후에도 동일하다. 그러나, A와 B의 운동 방향이 충돌 전후에 달라지므로, 이는 옳다.
    - "ㄷ" : A와 B의 질량이 같으므로, 충돌 전후의 운동량 벡터 합의 방향은 y축 방향이다. 따라서, A와 B의 운동 방향이 y축 방향으로 유지된다. 또한, A와 B가 탄성 충돌하였으므로, 충돌 전과 후의 운동 에너지의 합은 일정하다. 따라서, A와 B의 속도는 충돌 전과 후에도 동일하다. 이에 따라, A와 B의 운동 방향과 속도가 유지되는 것이 옳다.
    - "ㄴ, ㄷ" : 위에서 설명한 것과 같이, A와 B의 운동 방향과 속도가 유지되므로, "ㄴ"과 "ㄷ" 모두 옳다.
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9. 그림과 같이 수평면에서 +x방향으로 운동하는 버스에 물체가 실에 매달려 있다. 실과 연직선이 이루는 각은 θ로 일정하다. 철수는 버스에 대해, 영희는 지면에 대해 각각 정지해 있다.

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)
  • 보기 중 "ㄱ, ㄴ"이 옳은 것이다.

    - "ㄱ"은 철수와 영희가 관측하는 물체의 운동 방향이 다르기 때문에 상대적인 속도가 다르다는 것을 나타낸다.
    - "ㄴ"은 물체의 중력과 실의 장력이 서로 상쇄되어서 물체가 수직 방향으로 운동하지 않고, θ 각도에 따라서 수평 방향으로 운동한다는 것을 나타낸다.

    따라서, "ㄱ, ㄴ"이 옳은 것이다.
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10. 그림은 엘리베이터 안에서 운동하는 단진자의 모습을 나타낸 것이고, 그래프는 위 방향으로 운동하는 엘리베이터의 속도를 시간에 따라 나타낸 것이다. 구간 A, B, C 에서 단진자는 각각 TA, TB, TC 의 주기로 단진동한다.

TA, TB, TC를 옳게 비교한 것은? [3점]

  1. TA > TB > TC
  2. TA > TB = TC
  3. TB > TA > TC
  4. TC > TA = TB
  5. TC > TB > TA
(정답률: 알수없음)
  • 정답은 "TC > TB > TA"이다. 이유는 다음과 같다.

    - 단진자의 주기는 운동의 주기와 같다.
    - 운동의 주기는 한 번 운동이 완료되는데 걸리는 시간이다.
    - 그래프에서 주기는 한 번의 완전한 주기를 나타내는 구간의 길이이다.
    - 그래프에서 TC 구간은 TB 구간보다 길고, TB 구간은 TA 구간보다 길다.
    - 따라서, TC > TB > TA 이다.
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11. 그림은 열의 전도 실험에 대해 학생들이 대화하는 모습을 나타낸 것이다 . 길이와 단면적이 같은 물체 A와 B를 접촉시킨 후 90℃, 10℃ 열원을 A, B에 각각 접촉시키면 A와 B 사이의 접촉면 온도는 30℃로 일정하다.

옳게 말한 학생만을 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. 철수
  2. 민수
  3. 영희
  4. 민수, 영희
  5. 철수, 민수, 영희
(정답률: 알수없음)
  • 정답: "민수"

    열 전달은 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 일어나기 때문에, A와 B 사이의 접촉면 온도가 30℃이라면 A와 B의 온도는 각각 90℃와 10℃의 중간값인 50℃와 50℃일 것이다. 이를 제외한 다른 보기들은 부적절하거나 부족한 설명을 포함하고 있다.
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12. 그래프는 온도가 각각 100℃, 20℃인 물체A, B를 서로 접촉시켰을 때 A와 B의 온도를 시간에 따라 나타낸 것이다. B의 질량은 A의 2배이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 열은A와 B 사이에서만 이동한다.)

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 "ㄱ"은 A와 B의 초기 온도 차이가 크기 때문에 초기에는 A의 온도가 빠르게 감소하고 B의 온도가 빠르게 증가하는 것을 보여준다. "ㄷ"는 B의 질량이 A의 2배이기 때문에 B가 더 많은 열을 흡수하고 A보다 더 느리게 온도가 상승하는 것을 보여준다. 따라서 "ㄱ, ㄷ"가 정답이다.
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13. 그림과 같이 부피가 2V, 3V로 나누어진 밀폐 용기 안에 이상 기체 A, B가 각각 2몰, 1몰 들어 있다. A, B의 절대 온도는 각각 TA, TB이고 피스톤은 정지해 있다.

TA : TB는? (단, 피스톤과 용기의 마찰은 무시한다.)

  1. 1 : 1
  2. 1 : 2
  3. 1 : 3
  4. 2 : 1
  5. 3 : 1
(정답률: 알수없음)
  • 이상 기체의 상태방정식인 PV=nRT를 이용하면 P, V, n, T 중 3개를 알면 나머지 1개를 구할 수 있다. 이 문제에서는 부피와 몰수는 주어졌으므로, A, B의 절대온도를 구하기 위해서는 각각의 기체의 압력을 구해야 한다.

    부피가 2V인 용기 내부에서 A 기체의 몰수는 2몰이므로, A 기체의 분압은 PA = (2/3)P 이다. 마찬가지로, 부피가 3V인 용기 내부에서 B 기체의 분압은 PB = (1/3)P 이다.

    이제 두 용기의 분압의 합이 전체 압력 P와 같다는 것을 이용하여, P = PA + PB 식을 세울 수 있다. 이를 정리하면 P = (3/2)PA = (3/1)PB 이다.

    따라서, TA : TB = PA / (nA R) : PB / (nB R) = (3/2) : (3/1) = 1 : 3 이다.

    즉, A 기체와 B 기체의 온도 비율은 1 : 3 이다.
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14. 그림은 분자량과 분자 수가 같고 온도가 각각 4T0, T0인 이상 기체 A, B를 나타낸 것이다. 그래프는 A, B의 기체 분자 속력에 따른 상대적 분자 수 분포 X, Y를 순서 없이 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, A와 B는 단원자 분자이다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기에서 정답은 "ㄷ, 높은 온도에서 A와 B의 분자 속력 분포가 비슷해진다." 이다.

    그래프에서 A와 B의 분자 속력 분포가 높은 온도에서 비슷해지는 것을 확인할 수 있다. 이는 이상 기체의 경우 분자간 상호작용이 없기 때문에 온도가 높아질수록 분자의 운동 에너지가 증가하고, 이에 따라 분자 속력 분포가 평탄화되기 때문이다. 따라서, 온도가 높아질수록 A와 B의 분자 속력 분포가 비슷해지는 것이 옳다.
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15. 그래프는 일정량의 이상 기체의 상태가A→B→C→D→A를 따라 변할 때 압력과 부피 사이의 관계를 나타낸 것이다. A → B, C → D 과정은 등온 과정이다.

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

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

    - "ㄱ"은 A → B, C → D 과정이 등온 과정이기 때문에 온도가 일정하다는 것을 나타낸다.
    - "ㄷ"은 이상 기체의 상태 변화를 나타내는 그래프에서 압력과 부피가 반비례 관계에 있다는 것을 나타낸다. 즉, 압력이 증가하면 부피가 감소하고, 압력이 감소하면 부피가 증가한다. 이는 보일의 법칙에 따른 것이다.
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16. 그림은 단열된 실린더에 일정량의 이상 기체가 들어 있는 모습을 나타낸 것이다.

기체가 단열 팽창할 때, 기체의 물리량 중 감소하는 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

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

    - "ㄱ" : 단열 팽창에서는 엔트로피가 증가하지 않으므로, 엔트로피 감소는 일어나지 않는다.
    - "ㄴ" : 단열 팽창에서는 외부와의 열교환이 일어나지 않으므로, 열량 변화가 없어서 내부에 저장된 열량이 감소하지 않는다.
    - "ㄷ" : 단열 팽창에서는 일정량의 기체가 팽창하므로, 부피가 증가하고 압력이 감소한다. 이에 따라 일정한 온도에서 기체의 상태방정식에 따라 에너지가 감소하므로 내부에 저장된 에너지가 감소한다.
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17. 다음은 어느 스털링 엔진의 작동 과정과 구조를 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)
  • - 보기 중 "ㄱ"은 옳다. 스털링 엔진은 외부 열원에서 열을 받아 실린더 내부의 공기를 팽창시키고 압축시키는 과정을 반복하여 일정한 운동 에너지를 발생시키는 엔진으로, 이러한 작동 원리는 그림과 같이 나타난다.
    - 보기 중 "ㄷ"는 옳다. 스털링 엔진은 연료를 직접 연소시키지 않기 때문에 배기가스가 발생하지 않으며, 대신 외부 열원에서 열을 받아 실린더 내부의 공기를 팽창시키고 압축시키는 과정을 반복하여 일정한 운동 에너지를 발생시키는 엔진이다. 따라서 스털링 엔진은 환경 친화적인 엔진으로 평가받는다.
    - 보기 중 "ㄴ"은 옳지 않다. 스털링 엔진은 실린더 내부의 공기를 팽창시키고 압축시키는 과정에서 피스톤이 움직이는데, 이때 피스톤은 실린더 내부를 왕복운동하며 작동한다. 따라서 스털링 엔진은 회전운동을 하는 내부 연소 엔진과는 구조적으로 차이가 있다.
    따라서 정답은 "ㄱ, ㄷ"이다.
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18. 그림은 xy평면에서 등속 원운동하는 물체의 어느 순간의 위치를 나타낸 것이고, 그래프는 이 순간부터 물체의 x방향의 속도 vx, y방향의 속도 vy를 각각 시간에 따라 나타낸 것이다. 그래프에서 색칠된 부분의 넓이는 S이다.

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

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 보기 중 "ㄱ, ㄷ"가 옳다.

    이유는 다음과 같다.

    - 그림에서 물체는 등속 원운동을 하고 있으므로, 그래프에서 x방향 속도 vx는 항상 일정하다.
    - 그래프에서 y방향 속도 vy는 처음에는 0이었다가 시간이 지남에 따라 증가하다가 다시 0이 된다. 이는 물체가 y축 방향으로 가속도를 받았다가 다시 정지한 것을 나타낸다.
    - 따라서, 그래프에서 색칠된 부분의 넓이 S는 y축 방향으로 이동한 거리를 나타내며, 이는 y축 방향으로 가속도를 받은 시간과 그 가속도의 크기에 비례한다.
    - 따라서, S는 y축 방향으로 가속도를 받은 시간과 그 가속도의 크기에 비례하므로, 보기 중 "ㄱ, ㄷ"가 옳다.
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19. 물체가 B에서 O까지 이동하는 동안 중력에 의한 위치 에너지 증가량이 E0일 때, O에서의 운동 에너지는? [3점](19번 공통지문 문제)

  1. 1/4 E0
  2. 1/3 E0
  3. 1/2 E0
  4. 3/4 E0
  5. E0
(정답률: 알수없음)
  • 운동 에너지와 위치 에너지는 서로 상호 변환 가능한 에너지 형태이다. 따라서 물체가 O까지 이동하는 동안 중력에 의한 위치 에너지 증가량 E0은 운동 에너지로 변환된다. 운동 에너지와 위치 에너지는 다음과 같은 관계식을 가진다.

    운동 에너지 = 위치 에너지 변화량
    = E0

    따라서 O에서의 운동 에너지는 위치 에너지 증가량인 E0과 같으며, 정답은 "1/2 E0"이다.
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