01 다음은 19 세기 말 어느 신문에 게재된 기사의 일부이다.

Ⅳ. 에너지 / 1. 에너지의 발생

중단원 문제

1893년 ◯월 ◯일 ◯요일 ◯◯신문

…(전략)… 나이아가라 폭포에 세계 최초의 수력 발

전소를 설치해 약 40km 떨어진 도시까지 송전할 계

획이다. A 회사는 직류 방식을, B 회사는 ㉠ 교류 방

식을 제안하였다. ㉡ 송전 전압을 높이면 송전선에서

전력 손실이 줄어드는데, B 회사의 방식은 ㉢ 변압기

를 이용하여 송전 전압을 높인 후 가정에서 전압을

낮추어 사용할 수 있는 장점이 있다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. ㉠의 전류는 시간에 따라 방향이 변하고 세기는 일정 하다. ㄴ. ㉡을 높이면 송전 전류가 증가하면서 손실 전력도 증 가한다. ㄷ. ㉢에서 1차 코일의 감은 수보다 2차 코일의 감은 수 를 크게 하면 출력 전압을 증가시킬 수 있다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

02 그림은 발전소에서 생산한 전기 에너지를 가정으로 공급하는 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 발전소에서는 에너지원을 이용하여 발전기에 연결된 터빈을 회전시켜 전기 에너지를 생산한다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 태양 전지와 연료 전지도 모식도에 표시된 에너지원 에 포함된다. ㄴ. 송전선에서의 전기 에너지 손실을 줄이기 위해 변전 소에서 송전 전압을 높인다. ㄷ. 변전소 및 주상 변압기는 모두 1차 코일보다 2차 코 일의 감은 수가 더 많다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

03 그림은 에너지원에 따른 발전 과정과 발전소에서 가정까지의 송전 과정을 나타낸 것이다

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 화력과 원자력 발전 과정에서 수증기의 열에너지를 전기 에너지로 전환시킨다. ㄴ. 발전기에서의 에너지 전환은 패러데이 법칙에 따라 이루어진다. ㄷ. 변전소의 변압기에서 출력되는 전압을 증가시키면 송 전선에서 단위 시간당 발생하는 열이 감소한다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

04 그림은 연료 전지의 음극에 수소 기체를, 양극에 산소 기체를 각각 공급할 때 연료 전지에 연결된 전구에 전류가 흘러 불이 켜지는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. ㉠은 양극에서 음극으로 전구를 지나 이동한다. ㄴ. 전해질을 통해서 이동하는 ㉡은 수소 이온이다. ㄷ. ㉢에서 배출되는 물은 방사능에 오염되어 있다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

05 다음은 핵반응에 대한 내용이다.

에너지를 생성하는 핵반응에는 질량수가 큰 원자핵

이 두 개의 새로운 원자핵으로 쪼개지는 [ A ]과 질

량수가 작은 원자핵이 융합하여 질량수가 큰 원자핵

으로 되는 [ B ]이 있다. 원자로에서는 고속 중성자

의 개수를 줄여 주는 것은 제어봉이고 고속 중성자

의 속력을 줄여 주는 것은 감속재이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. A와 B의 반응이 일어나기 전에 핵자 질량의 합이 반응이 일어난 후에 핵자 질량의 합보다 크다. ㄴ. A와 B의 반응이 일어나기 전에 각 물질의 질량수 합이 반응이 일어난 후에 질량수 합보다 크다. ㄷ. 제어봉과 감속재는 A, B의 반응 효율을 높여주는 역 할을 한다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

06 그림은 이상적인 변압기를 이용하여 전열기를 작동시키는 것을 나타낸 것이고, 표는 이 변압기의 1차 코일과 2차 코일에서 측정된 전압과 전류를 나타낸 것이다.

1차 코일		2차 코일
전압([eqn: rmV])	전류([eqn: rmA])	전압([eqn: rmV])	전류([eqn: rmA])
220	3	110	6

전열기를 저항이 2배인 것으로 바꾸었을 때에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 2차 코일에는 3A의 전류가 흐른다. ㄴ. 변압기는 1차 코일에 공급되는 전력의 [eqn: {1} over {4}]배만을 2차 코일에 전달한다. ㄷ. 전열기에서 소비되는 전력은 바꾸기 전의 [eqn: {1} over {2}]배가 된다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

07 다음은 우라늄 ([eqn: rm{} _{````92} ^{238} U])이 중성자([eqn: rm{} _{0} ^{1} n])를 흡수한 후 원자핵 X를 거쳐 플루토늄 ([eqn: rm _{````94} ^{239}rm Pu])으로 변환될 때의 핵반응식을 나타낸 것이다.

A : [eqn: rm{} _{````92} ^{238} U]+[eqn: rm{} _{0} ^{1} n] → [eqn: rm{} _{````92} ^{238} U] →

X

+ [eqn: {} _{-1} ^{```````0} rme]

B :

X

→ [eqn: rm _{````94} ^{239}rm Pu] +

(가)

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. X의 양성자수는 93이다. ㄴ. (가)는 양전자이다. ㄷ. B의 핵반응에서 중성자가 양성자로 변하였다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

08 다음은 철수가 핵의 이용에 대해 조사한 내용의 일부이다.

양전자 단층 촬영(P

ET)은 (가) 양전자

([eqn: {} _{+1} ^{```````0}rm e])를 방출하는

방사성 동위 원소를

포함한 의약품을 이

용하여 인체에 대한

생리 화학적, 기능적

영상을 3차원으로 나타낼 수 있는 핵의학 검사 방법

중 하나로, 현재 각종 암을 진단하는 데 주로 활용되

고 있다.

… (중략) …

방사성 동위 원소에서 방출된 (나) 양전자 ([eqn: {} _{-1} ^{```````0} rm e])는

아주 짧은 시간에 전자와 결합하여 소멸하게 되는데,

이때 180,의 각도로 2개의 방사선을 방출하게 된다.

다음은 (가)에 해당하는 핵반응식과 (나)에서 방출되는 방사선의 반응식을 나타낸 것이다.

(가) [eqn: {} _{```9} ^{18}rm F]→

(a)

+ [eqn: {} _{+1} ^{```````0}rm e] (나) [eqn: {} _{-1} ^{```````0} rm e] + [eqn: {} _{+1} ^{```````0}rm e]→ 2

(b)

(a)에 들어갈 원자핵과 (b)에 들어갈 방사선을 가장 바르게 짝지은 것은?

(a)      (b)            (a)       (b)

① [eqn: {} _{```9} ^{18}rm F]  [eqn: gamma](감마선)      ② [eqn: {} _{```8} ^{18} rm O]  [eqn: gamma](감마선)

③ [eqn: {} _{```9} ^{18}rm F]  [eqn: beta](베타선)      ④ [eqn: {} _{```8} ^{18} rm O]  [eqn: alpha](알파선)

⑤ [eqn: {} _{```9} ^{19} rm F]  [eqn: gamma](감마선)

09 그림 (가)와 같이 균일한 자기장 속에 놓인 코일이 자기장의 방향에 수직인 회전축을 중심으로 회전하는 발전기의 모습을, (나)는 코일 부분을 나타낸 것이다. 자기장의 세기가 B이고, 코일의 면적이 A이고 회전 주기는 [eqn: T]일 때 코일에 유도되는 기전력의 최대값은 [eqn: V _{0}]이다.

(가)                     (나)

표와 같이 조건을 변화시킬 때 코일에 유도되는 기전력의

최대값이 [eqn: V _{0}]보다 큰 경우만을 있는 대로 고른 것은?

	자기장의 세기	코일의 면적	코일의 회전 주기
ㄱ	B	A	2T
ㄴ	B	[eqn: {1} over {2}]A	T
ㄷ	2B	A	T

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

10 그림은 핵분열의 원료인 우라늄 ([eqn: rm{} _{````92} ^{235} U])에 중성자 ([eqn: rm{} _{0} ^{1} n])를 흡수시켜서 연쇄 반응을 일으키는 과정을 나타낸 것이다.

중성자와 A~C에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서

있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. [eqn: rm{} _{````92} ^{235} U]에 흡수되는 중성자는 [eqn: rm _{````92} ^{238} U]에 흡수되는 중성 자보다 속력이 빠르다. ㄴ. 양성자수는 A가 제일 적고 C가 제일 많다. ㄷ. 중성자수는 A와 C가 같다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

11 그래프는 질량수가 219인 라돈([eqn: rm{} ^{219} Rn])이 방사성 붕괴를 하여 A, B, C, D를 거쳐 질량수가 207인 안정한 납([eqn: rm{} ^{207} Pb])으로 변하는 과정을 나타낸 것이다.

이 방사성 붕괴 과정에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 안정한 상태가 될 때까지 방출하는 [eqn: alpha] 입자는 3개 이다. ㄴ. A → B 과정에서 [eqn: alpha] 입자 1개 [eqn: beta] 입자 2개가 방출된 다. ㄷ. B → D 과정에서 [eqn: alpha] 입자 1개 [eqn: beta] 입자 2개가 방출된다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄷ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

12 다음은 영희와 철수가 전자기 유도에 대해 알아보기 위하여 수행한 실험 내용이다.

과정(1) 자석 A를 구리관

의 꼭대기에서 떨어뜨린

후 바닥에 떨어질 때까지

의 시간을 측정한다.

과정(2) 자석 A와 질량은

같고 자기력이 더 센 자석

B를 동일한 구리 관의 꼭

대기에서 떨어뜨린 후 바

닥에 떨어질 때까지의 시간을 측정한다.

결과(1)=1.5초, 결과(2)=1.8초

다음 중 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 자석이 떨어지는 동안 받는 자기력은 B가 A보다 크 다. ㄴ. 자석이 바닥에 충돌하는 순간의 속력은 A가 B보다 더 빠르다. ㄷ. 구리 관에 발생하는 줄열은 B가 A보다 크다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

정답과 해설

01 ②   02 ①   03 ⑤   04 ②   05 ①   06 ④   07 ④   08 ②   09 ③   10 ⑤   11 ①   12 ⑤

01

ㄷ. ㉢에서 1차 코일의 감은 수보다 2차 코일의 감은 수를 크게 하는 이유는 전압을 높여 전력의 손실을 줄이기 위해서이다.

1차 코일의 감은 수보다 2차 코일의 감은 수를 크게 하면 출력 전력은 일정한 채 1차 코일의 출력 전압이 증가한다.

ㄱ. ㉠의 전류는 교류이다. 교류는 시간에 따라 방향과 세기가 변한다. 우리나라 가정의 교류 주파수는 60[eqn: rmHz]로 이는 1초당 60번씩 전류 방향이 변함을 나타내고 그에 따라 싸인(sine)함수파의 형태로 전류의 세기도 변한다.

오답 체크

ㄴ. 송전 전력이 일정한 상태에서 ㉡송전 전압을 높이면 [eqn: P=VI]에서 송전 전류가 감소해 송전선에서의 손실 전력([eqn: I ^{2} TIMES R])은 감소한다.

02

ㄴ. 전압을 높이면 송전 전류의 세기가 줄어든다.

ㄱ. 태양 전지 및 연료 전지는 터빈과 발전기를 필요로 하지 않으므로 모식도가 설명하는 에너지원에 해당하지 않는다.

오답 체크

ㄷ. 변압기의 1차 코일에 전력이 입력되고 2차 코일에 전력이 출력되므로 주상 변압기의 2차 코일에서 출력되는 전압은 220V이다. 전압을 낮추는 역할을 하는 주상 변압기는 2차 코일이 1차 코일보다 감은 수가 더 적다.

03

ㄱ. 화력 발전에서는 화석 연료가 산화될 때 열이 발생하고, 원자력 발전에서는 우라늄이 핵분열할 때 열이 발생한다.

ㄴ. 발전기 내부에는 영구자석과 코일이 있어서 자기장 속에서 코일이 회전하면서 코일에 전류가 유도된다.

ㄷ. 송전 전압을 높여서 송전 전류가 작아지면 도선이라는 저항체에 의한 줄열도 감소한다.

04

연료 전지의 음극을 통해서 들어온 수소 분자는 촉매에 의한 전기 화학 반응으로 전극 표면에서 수소 이온([eqn: rmH ^{+}])과 전자([eqn: rme^-])를 생성한다. 이때 수소 이온은 전해질을 통해서, 전자는 외부 회로를 통해서 음극에서 양극으로 이동한다.

ㄴ. 물질 ㉡은 수소 이온이다.

ㄱ. 물질 ㉠은 전자로서, 음극에서 전구를 거쳐 양극으로 이동한다.

오답 체크

ㄷ (+)극에서 배출되는 물질 ㉢은 순수한 물이므로 환경 오염을 유발하지 않는다.

05

ㄱ. A는 핵분열이고 B는 핵융합으로 질량 결손에 의해 막대한 에너지가 발생한다. 따라서 반응 전의 질량이 반응 후의 질량보다 더 크다.

ㄴ. 질량 결손은 질량 감소를 의미할 뿐, 질량수 감소를 의미하지는 않는다. 중성자가 양성자로 변하는 과정에서 핵자 1개당 질량은 줄어들지만 핵자가 없어지거나 새로 생기지는 않기 때문에 핵자의 개수, 즉 질량수는 반응 전후가 같다.

오답 체크

ㄷ. 제어봉은 핵분열(A)의 반응 속도를 줄여 주고 감속재는 핵분열(A)의 반응 효율을 높여 준다. 제어봉과 감속재는 핵융합(=B의 반응)에 사용되지 않는다.

06

ㄱ. 변압기를 통해 2차 코일에 걸리는 전압은 110V로 일정하다. 옴의 법칙([eqn: V=IR])로부터 전열기의 저항이 2배로 증가하면 전류는 [eqn: {1} over {2}]배로 감소한다.

ㄷ. 전열기의 소비 전력 [eqn: P=I ^{2}R]인데 전류가 [eqn: {1} over {2}]배로, 저항이 2배로 바뀌었으므로 소비 전력은 [eqn: ( {1} over {2} ) ^{2} TIMES 2= {1} over {2}]배가 된다.

ㄴ. 변압기에서 에너지 손실이 없는 이상적인 변압기로 가정했으므로 1차 코일에 공급되는 전력과 2차 코일에 연결된 전열기의 소비 전력은 같다.

오답 체크

07

ㄱ. 질량수 보존 법칙과 전하량 보존 법칙을 이용하면 X는 [eqn: rm{} _{````93} ^{239} Np]이고, (가)는 [eqn: rm{} _{-1} ^{```````0} e]임을 알 수 있다. 따라서 X의 양성자 수는 93이다.

ㄷ. A와 B는 둘 다 베타붕괴 과정이며, 중성자 1개가 양성자로 바뀌면서 전자 1개를 내놓았다.

ㄴ. (가)는 전하의 종류가 (-)인 전자이다.

오답 체크

08

질량수 보존 법칙과 전하량 보존 법칙을 이용하면 (가)의 (a)는 [eqn: rm{} _{````8} ^{18} O]이고, (나)의 (b)는 질량과 전하량이 둘 다 0인 광자(전자기파)임을 알 수 있다.

•P ET에서 일어나는 (가)의 반응은 방사성 동위원소인 의약품에서 양전자가 방출되는 [eqn: beta^+]붕괴 과정이므로 양성자가 중성자로 바뀐다.

• 입자 가속기 내부에서 물질인 전자와 반전자가 쌍소멸할 때 나타나는 (나)의 과정에서는 파장이 매우 짧은 전자기파(감마선)가 방출된다.

09

교류 발전기에서 발생하는 기전력 V는 코일의 단면을 지나는 자기 선속의 시간에 따른 변화율에 비례한다. 따라서 코일의 회전 속력이 빠를수록, 코일의 단면적이 클수록, 자석에 의한 자기장이 셀수록 코일에 유도되는 기전력 V가 증가한다.

[eqn: {자기장`세기 TIMES 코일`면적} over {회전`주기}]을 구해보면,

ㄱ=[eqn: {BA} over {2T}], ㄴ=[eqn: {1} over {2} ` {BA} over {T}], ㄷ=[eqn: {2BA} over {T}]이므로 기전력은

ㄷ>ㄱ=ㄴ이다.

ㄱ과 ㄴ의 유도 기전력 최댓값은 [eqn: V _{0}]이다.

10

ㄴ, ㄷ. 핵분열 전후 원자핵의 총 질량수와 전하량이 보존된다.

A=[eqn: rm{} _{36} ^{92} Kr], B=[eqn: rm{} _{37} ^{90} Rb], C=[eqn: rm{} _{38} ^{94} Sr]이다.

따라서 양성자수는 C>B>A이다.

중성자수=질량수-양성자수이므로 계산해 보면 A와 C의 중성자수가 56으로 같고 B의 중성자수는 53이다.

ㄱ. [eqn: rm{} _{````92} ^{235} U]과 [eqn: rm _{````92} ^{238} U]에 가장 잘 흡수되는 중성자의 운동 에너지가 달라서, 우라늄235의 중성자 공명 흡수 범위는 14eV 내외이고 우라늄238의 중성자 공명 흡수 범위는 0.5eV~10`KeV로 알려져 있다. 즉, [eqn: rm{} _{````92} ^{235} U]는 느린 중성자와 더 잘 반응한다.

오답 체크

11

ㄱ. 양성자와 중성자가 2씩 동시에 감소하는 과정은 [eqn: rm{} ^{219} Rn]→ A,, A → B, D → [eqn: rm{} ^{207} Pb]이므로 알파 붕괴는 총 3회이다.

ㄴ. A → B 과정에서 [eqn: alpha]입자 1개가 방출된다.

오답 체크

ㄷ. B → D 과정은 2회의 [eqn: beta] 과정을 나타낸다. 따라서 전자 2개가 방출된다.

12

자석을 구리 관 속으로 떨어뜨리면 구리 관에 유도 전류가 발생해 자석의 운동을 방해한다. 이때 강한 자석일수록 유도 전류의 세기는 더 세고 자석의 낙하 운동을 방해하는 효과는 더 커진다. 자석 B의 낙하 시간이 더 긴 이유는 그 때문이다.

ㄱ. 자석이 떨어지는 동안 받는 자기력은 A<B이다.

ㄴ. 바닥에 닿는 순간의 속력은 A>B이다.

ㄷ. 유도 전류가 셀수록 관에 생기는 전기 에너지도 더 커지므로 줄열은 A<B이다. 처음에 질량이 같고 높이가 같아서 위치 에너지가 같았지만 충돌 순간의 운동 에너지가 A>B인 이유는 줄열에 의한 에너지 손실이 더 적었기 때문이다.