교사전용 문제은행

물리Ⅰ  중간 ․ 기말고사 출제대비 문제은행               바른답 ․ 알찬풀이

교사전용 문제은행

물리Ⅰ  중간 ․ 기말고사 출제대비 문제은행               바른답 ․ 알찬풀이

Ⅰ. 시공간과 우주

1 ④	2 ③	3 ①	4 ⑤	5 ④

6 ④	7 ④	8 ③	9 ①	10 ⑤

11 ⑤	12 ②	13 ⑤	14 ①	15 ③

16 ①	17 ①	18 ④	19 ②     20 ④

21 ④     22 ①     23 ③     24 ⑤

25 해설 참조       26 해설 참조    27 해설 참조

28 해설 참조       29 해설 참조    30 해설 참조

1 ㄴ. (나)는 원자 시계로 1초를 세슘 원자가 방출하는 특정한 빛이 9,192,631,770번 진동하는 데 걸린 시간으로 정했다.

ㄷ. 앙부일구과 원자 시계는 주기적으로 반복되는 자연 현상을 이용하여 시간을 측정한다.

* 오답피하기> ㄱ. (가)는 앙부일구로 해시계의 일종이다. 세로선인 시각선은 시각을 알려주는 선으로 하루 중 태양의 위치로 인해 변하는 바늘의 그림자를 이용하고, 가로선인 절기선은 계절을 알려주는 선으로 연중 태양의 고도 변화를 이용한다. 태양의 위치와 고도는 지역에 따라 달라지므로, 연중 태양의 고도 변화를 이용하는 절기는 지역에 따라 달라진다.

성취 기준	성취 수준
시간을 측정하는 다양한 방법을 알고, 시간 표준의 의미와 확립 과정을 진술할 수 있다.	하

2 ㄴ. 변위-시간 그래프에서 특정 시간 구간에 대한 기울기는 평균 속도이므로, [eqn: 0 SIM t _{1}] 동안 평균 속력은 A가 B보다 크다.

ㄷ. 원점으로부터의 거리는 A가 B보다 항상 크고, [eqn: t_2]일 때 만난다.

* 오답피하기> ㄱ. 변위-시간 그래프의 한 점에서 그은 접선의 기울기는 그 시각에서의 순간 속도를 의미하므로, [eqn: t _{2}]일 때 순간 속력은 A가 B보다 작다.

ㄹ. A와 B의 접선 기울기의 변화를 보면 A는 점차 속력이 느려지며, B는 속력이 빨라진다. 따라서 A의 가속도 방향은 A의 운동 방향과 반대이고 B의 가속도 방향은 B의 운동 방향과 같다.

성취 기준	성취 수준
속도, 가속도의 개념을 이해하고, 1차원 등가속도 운동을 설명할 수 있다.	중

3 ㄱ. 속도 -시간 그래프에서 그래프 아래의 면적(속도[eqn: TIMES]시간)은 물체의 변위를 의미하므로, 6초일 때 물체의 변위는 [eqn: (rm 1over2 ×4×10)- ( 1over2 ×2×10) = 10(m)]이다.

* 오답피하기>  ㄴ. 4초일 때 물체의 속도는 0이므로, 0~8초 동안 물체의 운동 방향은 1번 바뀌었다.

ㄷ. 4초일 때 물체의 운동 방향은 반대가 되었지만 물체에 작용하는 힘의 방향은 바뀌지 않았다.

성취 기준	성취 수준
속도, 가속도의 개념을 이해하고, 1차원 등가속도 운동을 설명할 수 있다.	중

4 비행기는 속력이 일정하게 감소하는 등가속도 직선 운동을 하므로 [eqn: s=v _{0} t - {1} over {2} at ^{2}]을 만족한다. 문제에 시간에 따라 비행기가 간 거리가 주어져 있으므로 두 가지 경우만 공식에 대입하면 연립 방정식을 세워 초기 속도와 가속도를 모두 구할 수 있다. [eqn: t= 4]초일 때와 [eqn: t=8]초인 경우 두 가지를 대입하여 계산하면 [eqn: v _{0} =`100 rm ```m/s], [eqn: a`=`5``` rm m/s ^{2}]을 얻을 수 있다.

ㄱ. 비행기가 착륙하는 순간의 속력은 [eqn: rm 100 ```m/s]이다.

ㄴ. 8초일 때 비행기의 속력은 [eqn: v=100-5 TIMES 8= rm60(m/s)]이다.

ㄷ. [eqn: 0=100-5×t]에서 [eqn: t= rm 20(s)]이므로, 비행기는 20초 후 정지한다.

성취 기준	성취 수준
속도, 가속도의 개념을 이해하고, 1차원 등가속도 운동을 설명할 수 있다.	중

5 ㄴ. 등가속도 직선 운동하는 A와 B가 같은 시간 동안 간 거리의 비가 3 : 1이므로, [eqn: s`=` {1} over {2}at ^{ 2}]에 의해 A와 B의 가속도의 비도 3 : 1임을 알 수 있다.

ㄷ. 알짜힘은 질량과 가속도의 곱이다. 가속도의 비가 3 : 1이므로 A와 B의 질량을 고려하면 알짜힘의 비는 3 : 4이다.

* 오답피하기> ㄱ. A와 B의 가속도의 비가 3:1이므로 B의 가속도가 a일 때, [eqn: t]초 후 A의 속력 [eqn: v _{rmA} =3at], B의 속력 [eqn: v_{rmB} = at]이다. 따라서 [eqn: t]초 후 A의 속력은 B의 속력보다 3배 크다.

성취 기준	성취 수준
속도, 가속도의 개념을 이해하고, 1차원 등가속도 운동을 설명할 수 있다.	중

6 자동차 A와 B는 등가속도 운동을 하므로 속력 - 시간  그래프에서 직선으로 나타낼 수 있다. 출발선을 기준으로 그래프를 그리면 A는 (0, 10)을 지나는 직선으로, B는 원점을 지나는 직선으로 표현된다. 두 직선의 교차점을 (t , v)로 놓고 주어진 조건을 적용하면 [eqn: t=rm 4``` s], [eqn: v=20 rm ``m/s]이므로 [eqn: 2a= {v} over {t} = {20} over {4} = rm 5(m/s ^{2} )]에서 [eqn: a= rm 2.5``m/s ^{2}]이다.

성취 기준	성취 수준
속도, 가속도의 개념을 이해하고, 1차원 등가속도 운동을 설명할 수 있다.	중

7 ㄴ, ㄷ. 영수의 손을 떠난 공이 상승하는 이유는 초기 속력과 방향을 유지하려 하는 공의 관성 때문이다. 따라서 공에 중력이 작용하지 않는다면 공은 초기의 속력과 방향을 영원히 유지하게 된다.

* 오답피하기>  ㄱ. 영수는 접촉하지 않고는 공에 힘을 가할 수 없다. 그러므로 공이 영수의 손을 떠나는 순간 영수가 공에 가한 힘은 사라진다.

성취 기준	성취 수준
1차원 운동에 뉴턴의 운동 법칙을 적용할 수 있다.	중

8 ㄱ. 속도-시간 그래프의 기울기는 가속도를 의미한다. (나)에서 그래프의 기울기가 일정하므로 수레는 등가속도 운동을 하였다.

ㄷ. 가속도를 증가시켜 B와 같은 그래프를 얻기 위해서는 수레에 올려놓는 추의 개수를 감소시켜 질량을 줄이거나 수레는 당기는 힘의 크기를 증가시키면 된다.

* 오답피하기>  ㄴ. 수레에 올려놓은 추의 개수를 증가시키면 속도-시간 그래프의 기울기가 감소한다.

성취 기준	성취 수준
1차원 운동에 뉴턴의 운동 법칙을 적용할 수 있다.	중

9  ㄱ. [eqn: F]의 힘으로 총 질량 [eqn: 6m]을 가속시켰으므로 가속도 법칙에 의해 세 물체의 가속도는 [eqn: a`= {F} over {6m}]로 모두 같다. 가속도에 각 물체의 질량의 곱해 알짜힘을 구할 수 있고 물체에 작용하는 장력을 계산할 수 있다.

* 오답피하기> ㄴ. B에서 측정된 눈금은 B가 질량이 [eqn: m], [eqn: 2m]인 두 물체를 당기는 힘과 같다. 따라서 전체 가속도에 두 물체의 질량의 합인 [eqn: 3m]을 곱하면 [eqn: 3m × F over6m = F over2]이다.

ㄷ. 질량이 [eqn: 3m]인 물체에 작용하는 장력은 [eqn: 3m × F over6m = F over2]이므로 용수철저울  B의 눈금은 [eqn: {F} over {2}]이다. 이 값은 질량이 [eqn: m]인 물체로 인한 장력이 이미 반영된 값이므로 용수철저울 A의 값을 중복해서 더할 이유가 없다.

성취 기준	성취 수준
1차원 운동에 뉴턴의 운동 법칙을 적용할 수 있다.	중

10 ㄱ, ㄴ. 두 물체 A, B는 정지 상태에 있으므로 A, B에 작용하는 알짜힘의 크기는 0이다. A에 작용하는 실의 장력은 B의 무게와 같으므로 20 N, A에 작용하는 부력은 ‘A의 중력-A에 작용하는 실의 장력’=50 N-20 N=30 N이다.

ㄷ. 물체가 물을 누르는 힘과 물이 물체를 떠받치는 힘은 작용․ 반작용 관계이므로 두 힘의 크기가 같다.

성취 기준	성취 수준
1차원 운동에 뉴턴의 운동 법칙을 적용할 수 있다.	중

11 힘의 작용은 항상 두 주체 사이에 일어난다. 가령, A가 B에게 힘을 가했다고 할 때, B입장에서는 자신이 A에게 힘을 가했다고 말할 수 있으며 이 상황은 정확히 대칭적이다. 즉, 작용 힘에 대한 반작용 힘은 두 주체의 입장만 바꾸면 쉽게 찾을 수 있다.

ㄱ. 두 주체를 바꾸어 생각하면 A가 B를 누르는 힘의 반작용은 B가 A를 떠받치는 힘이고, A에 작용하는 중력(지구가 A를 당기는 힘)의 반작용은 A가 지구를 당기는 힘이다.   ㄷ. A는 정지해 있으므로 힘의 평형 상태이다. 이때 A를 연직 아래로 당기는 힘과 연직 위로 떠받치는 힘의 크기는 같다.

성취 기준	성취 수준
1차원 운동에 뉴턴의 운동 법칙을 적용할 수 있다.	상

12 ㄴ. A가 벽으로부터 받은 충격량의 크기와 벽이 A로부터 받은 충격량의 크기는 작용 반작용 관계이므로 같다.

* 오답피하기>  ㄱ. 물체가 받은 충격량은 물체의 운동량의 변화량과 같다. 운동량은 방향을 고려하는 벡터량이므로 A의 운동량 변화량의 크기는 20 N·s, B의 운동량 변화량의 크기는 15 N·s이다. 따라서 벽이 A와 B로부터 받은 충격량 크기의 비는 4 : 3이다.

성취 기준	성취 수준
스포츠 등 실생활에서 충격량과 운동량의 개념을 설명할 수 있다.	중

13 [eqn: {vec{p}} = m vec { v}] 이므로 그래프를 통해 속력의 변화량을 알아내면 운동량의 변화량을 알 수 있다. 또한, 충격량 [eqn: vec{I} = vec{F} TRIANGLE t]이므로 충격력의 방향과 충격량의 방향은 동일하다.

ㄱ. 0~5초 동안 물체의 속력이 계속 증가하고 있으므로 힘의 방향은 물체의 운동 방향과 같다. 따라서 0~2초 동안과 2~5초 동안 받은 충격력의 방향은 서로 같다.

ㄴ. 5~8초 동안 물체가 받은 충격량은 물체의 운동량의 변화량과 같으므로 [eqn: m(v-v_0 ) = 3(0-20)=rm -60(N·s)]에서 충격량의 크기는 60 N·s이다.

ㄷ. 물체가 0~5초 동안 받은 충격량의 크기는 [eqn: 3(20-0) = rm 60 ``N·s]이고, 5~8초 동안 받은 충격량의 크기도 60 N·s이므로 서로 같다.

성취 기준	성취 수준
스포츠 등 실생활에서 충격량과 운동량의 개념을 설명할 수 있다.	중

14 ㄱ. B가 C로부터 받은 충격량의 크기는 B의 운동량의 변화량의 크기와 같으므로 [eqn: p_0 - 3p_0 = -2p_0]에서 [eqn: 2p_0]이다.

* 오답피하기>  ㄴ. [eqn: p=mv]에서 운동량의 방향은 속도의 방향과 같다. 따라서 최종 충돌 후 A와 B의 운동량의 방향이 반대이므로, 운동 방향도 반대이다.

ㄷ. A와 B의 충돌에서 평균 충격력의 크기는 [eqn: {□ TRIANGLE {vec{p}} □} over {TRIANGLE t} = {3p _{0}} over {2T}], B와 C의 충돌에서는 [eqn: {□TRIANGLE {vec{p}} `□} over {TRIANGLE t} = {2p _{0}} over {T}]이다.

성취 기준	성취 수준
스포츠 등 실생활에서 충격량과 운동량의 개념을 설명할 수 있다.	중

15 ㄷ. 외력이 물체에 한 일이 같으므로 일-에너지 정리에 의해 두 물체 A, B의 운동 에너지 증가량은 같다.

* 오답피하기>  ㄱ, ㄴ. A의 질량이 B의 두 배인데 같은 크기의 힘이 작용했으므로 가속도의 크기는 B가 A의 두 배이고, [eqn: s`=` {1} over {2} at ^{2}]에서 걸린 시간은 A가 B의 [eqn: sqrt {2}]배이다. 또한, 두 물체가 받은 충격량의 크기는 힘이 같을 때 시간에 비례하므로 같을 수 없다.

성취 기준	성취 수준
등가속도 운동에서 일-운동 에너지의 정리를 설명할 수 있다.	상

16 두 물체 A와 B를 같은 높이에서 가만히 낙하시켰으므로 A, B의 역학적 에너지는 같다.

* 오답피하기>  A, B의 낙하 거리 차이는 점차 증가하므로 시간에 따른 중력 퍼텐셜 에너지 차이는 일정하지 않으며 중력이 물체에 한 일(=중력 퍼텐셜 에너지 감소량)의 차이도 증가한다.

성취 기준	성취 수준
등가속도 운동에서 일-운동 에너지의 정리를 설명할 수 있다.	상

17 ㄱ. F - s 그래프에서 그래프 아래의 면적은 외력이 한 일의 양을 의미한다. 따라서 6 m를 이동하는 동안 힘이 물체에 한 일은 [eqn: F×s = 6 ×6 = rm 36(J)]이다.

* 오답피하기>  ㄴ. 물체에 작용한 알짜힘이 한 일은 물체의 운동 에너지 변화량과 같다. 따라서 [eqn: rm 1over2 × 1``kg× it v^2 = rm 36``J]에서 10 m를 이동했을 때 물체의 속력은 [eqn: v = root 72]이다.

ㄷ. 물리적인 일의 정의에 의해 외력의 방향과 물체의 이동 방향이 반대인 경우 음의 일로 취급한다. 따라서 10~14 m 동안은 힘의 방향과 물체의 운동 방향이 반대이므로 외력이 한 일의 총량은 28 J이다.

성취 기준	성취 수준
등가속도 운동에서 일-운동 에너지의 정리를 설명할 수 있다.	중

18 A와 B를 움직이게 하는 힘은 오로지 B에 작용하는 중력이다. 중력만이 일을 하는 경우 역학적 에너지는 보존되므로 A와 B의 역학적 에너지의 총합은 변하지 않는다(A와 B 각각의 역학적 에너지는 보존되지 않는다. A는 속력이 빨라지며 동시에 높이도 높아지므로 역학적 에너지는 증가한다. 그러므로 B의 역학적 에너지는 그만큼 감소했다.).

ㄱ. 두 물체 A, B는 실로 연결되어 있으므로 운동 에너지 증가량은 질량이 큰 A가 질량이 작은 B보다 크다.

ㄷ. 역학적 에너지의 증가량과 감소량은 같아야 한다. 또한  A의 퍼텐셜 에너지 증가량 +A의 운동 에너지 증가량 +B의 운동 에너지 증가량 =B의 퍼텐셜 에너지 감소량의 관계가 성립한다.

* 오답피하기>  ㄴ. A와 B를 잇는 실의 양 끝에서 장력의 방향은 반대이고 크기가 같으므로 실은 일을 하지 않는다.

성취 기준	성취 수준
퍼텐셜 에너지와 역학적 에너지, 역학적 에너지 보존 법칙을 설명할 수 있다.	상

19 중력장에서 물체의 역학적 에너지는 보존된다. 공이 15 m 상승하였을 때 공의 속력을 [eqn: v]라고 하면

[eqn: 1over2 ×0.4 ×20^2 = 1over2 × 0.4×v^2 +0.4×10×15]에서 [eqn: v]=10 m/s이다.

성취 기준	성취 수준
퍼텐셜 에너지와 역학적 에너지, 역학적 에너지 보존 법칙을 설명할 수 있다.	하

20 ㄱ. 행성과 위성의 질량을 각각 [eqn: M,`m]이라 할 때 둘 사이에 작용하는 만유인력의 크기 [eqn: F= {GMm} over {R ^{2}}]이다(단, [eqn: R]는 행성과 위성 사이의 거리). [eqn: F`=ma]이므로 가속도의 크기 [eqn: a`= {GM} over {R ^{2}}]으로 위성의 질량과는 무관하다.

* 오답피하기>  ㄴ. 면적 속도 일정 법칙에 의해 행성에 가장 가까운 지점인 a 에 가까워질수록 위성의 속력은 빨라지고, 멀어지면 속력이 느려진다. 따라서 P의 속력은 a에서 b로 가는 동안 점점 느려진다.

ㄷ. 케플러 제3법칙에 의해 타원 궤도 장반경의 세제곱은 공전 주기의 제곱과 비례한다. 따라서 P와 Q의 공전 주기의 비는 1 : 8이다.

성취 기준	성취 수준
행성의 운동에 대한 케플러 법칙이 뉴턴의 중력 법칙을 만족함을 설명할 수 있다.	중

21 일반 상대성 이론은 가속계를 포함하는 이론으로 중력을 공간의 휘어짐으로 재해석하고 있다. 그 증거로는 수성 공전 궤도의 세차 운동, 중력 렌즈 현상, 중력에 의한 시간 지연, 블랙홀의 존재 등이 있다.

* 오답피하기>  특수 상대성 이론은 관성계에서 나타나는 현상에 국한되어 있다. 관성계란 뉴턴의 제1법칙(관성의 법칙)이 적용되는 계로 가속되지 않는 시스템을 말한다. 어떤 관성계에서 보아도 빛의 속도는 일정하므로 관성계의 시공간이 변해야 한다는 논리를 바탕으로 하고 있다. 또한 그 변화의 정도는 관성계의 상대적 속도에 따라 달라진다. 이에 따른 현상으로 시간 지연, 길이 수축, 동시성의 문제 등이 있다.

성취 기준	성취 수준
가속 좌표계와 등가 원리 등 일반 상대성 이론의 기본 원리를 설명할 수 있다.	하

22 ㄱ. 일반 상대성 이론의 등가 원리란 가속계에서 나타나는 관성력과 실제 힘을 구분할 수 없다는 것이다. 등가 원리를 바탕으로 해석하면 (가)에서와 같이 지표면에서 영희가 느끼는 중력장과 (나)에서 관성력(중력과 크기가 같음)에 의한 중력장의 효과는 구분할 수 없다. 그러므로 (가)와 (나)의 우주선 내부에서 일어나는 모든 물리 현상은 정확히 동등하다.

* 오답피하기>  ㄴ. (나)에서 영희가 본 물체는 등가속도 운동한다.

ㄷ. 등가 원리에 의해 (가), (나)의 우주선 내부에서 일어나는 모든 물리 현상은 동등하다.

성취 기준	성취 수준
가속 좌표계와 등가 원리 등 일반 상대성 이론의 기본 원리를 설명할 수 있다.	중

23 ㄷ. 영희는 뮤온의 수명이 길어졌으므로, 뮤온은 낙하해야 하는 거리가 짧아졌으므로 지상에 도달할 수 있다고 설명한다.

* 오답피하기>  ㄱ. 특수 상대성 이론에서 말하는 고윳값이란 측정 대상에 대하여 상대적으로 정지해 있는 관찰자가 측정한 값이다. 따라서 뮤온의 고유 수명은 영희가 측정한 것이 아니라 뮤온 입장에서 측정한 값이어야 하므로 [eqn: T]보다 길다. 같은 이유로 영희가 측정한 [eqn: L]은 고유 길이이며 뮤온이 이것을 측정하면 길이 수축에 의해 [eqn: L]보다 짧아진다.

성취 기준	성취 수준
빛의 속도 일정, 시간 지연, 길이 수축, 동시성, 질량-에너지 동등성 등 특수 상대성 이론의 기본 원리를 설명할 수 있다.	상

24 ㄱ. 강력은 쿼크 또는 핵자들이 뭉칠 때 관여하는 힘이다.

ㄴ. 베타 붕괴는 원자핵 내부의 중성자가 전자와 양성자로 붕괴하는 현상으로, 베타 붕괴에 관여하는 힘을 약한 상호 작용이라고 한다.

ㄷ. 중성자가 붕괴되었으므로 B는 양성자이며, 양성자는 u(위 쿼크) 2개와 d(아래 쿼크) 1개로 구성된다. 따라서 C와 D는 위 쿼크이다.

성취 기준	성취 수준
4가지 상호 작용과 기본 입자에 대한 표준 모형을 설명할 수 있다.	하

25 실로 이어진 물체는 한 개의 물체로 보면 쉽게 가속도를 구

할 수 있다.

[예시 답안] 두 물체를 하나의 물체로 가정하면 총 질량은 [eqn: 3m]이다. 한쪽으로는 크기가 [eqn: 2mg]인 힘이 작용하며, 반대쪽으로 크기가 [eqn: mg]인 힘이 작용하므로 알짜힘은 [eqn: mg]이다. [eqn: F``=ma]에 적용하면 [eqn: mg`=`(3m)a]이므로 두 물체의 가속도는 [eqn: {1} over {3} g]이다. A에 작용하는 알짜힘은 운동 방향으로 [eqn: {1} over {3} mg]이므로는 장력 [eqn: T= {4} over {3} mg]이다.

성취 기준	성취 수준
1차원 운동에 뉴턴의 운동 법칙을 적용할 수 있다.	중

26 충격량이 같아도 평균 충격력이 작을수록 손상이 적다. 접촉하는 동안 걸리는 시간이 길어질수록 평균 충격력은 작아지므로 손상을 줄일 수 있다. 자동차의 범퍼나 에어백 등은 이러한 원리를 이용한 것이다.

[예시 답안] (1) 두 그래프 아래의 면적이 같으므로 달걀이 받은 충격량은 같다. 충격량은 운동량의 변화량인데 충돌이 끝난 후 최종 속도는 0으로 동일하다. 따라서 충돌 직전의 속도는 같아야 하므로 두 달걀의 낙하 높이는 동일하다.

(2) B는 깨지지 않았으므로 [eqn: t]가 커져서 평균 충격력 [eqn: F]가 작은 경우인 그래프 [eqn: S _{2}]에 해당한다.

성취 기준	성취 수준
스포츠 등 실생활에서 충격량과 운동량의 개념을 설명할 수 있다.	중

27 물리적 일을 구할 때 흔히 쓰는 [eqn: W=Fs]는 힘의 방향과 물체의 이동 방향이 일치하는 경우를 말한다.

[예시 답안]  (가)의 경우 철수가 가한 힘의 방향은 연직 윗방향으로 물체의 이동 방향과 일치하므로 가한 힘의 크기는 [eqn: mg], 한 일의 양은 [eqn: mgs]이다. 그러나 (나)에서는 물체의 이동 방향으로 준 힘의 크기가 [eqn: mg`sin theta]이므로 한 일의 양은 [eqn: mg`sin theta BULLET s]이다. 따라서 힘의 크기와 일의 양 모두 (나)의 경우가 작다.

성취 기준	성취 수준
등가속도 운동에서 일-운동 에너지의 정리를 설명할 수 있다	중

28 행성의 원운동에서 태양과 행성 사이에 작용하는 만유인력이 구심력 역할을 한다.

[예시 답안] [eqn: {GMm} over {R ^{2}} = {mv ^{2}} over {R}]을 [eqn: v]에 대하여 정리하면 [eqn: v ^{2} = {GM} over {R}]이다. 또한, 원운동에서 주기 [eqn: T`= {2 pi R} over {v}]이므로, [eqn: {GM} over {R} = {4 pi ^{2} R ^{2}} over {T ^{2}}]이다. 이것을 정리하면 [eqn: T ^{2} =( {4 pi ^{2}} over {GM} )R ^{3}]이다. 즉, 타원 궤도 장반경(또는 원궤도의 반지름)의 세제곱은 공전 주기의 제곱과 비례 관계에 있다.

성취 기준	성취 수준
행성의 운동에 대한 케플러 법칙이 뉴턴의 중력 법칙을 만족함을 설명할 수 있다.	상

29 특수 상대성 이론에서 하나의 관성계에서 동시로 측정되는 사건이 다른 관성계에서는 동시가 아니다. 그림과 같은 경우 철수와 영희 관점에서 빛의 속도는 동일하지만 빛이 가야 하는 거리가 철수 입장에서 같은 반면 영희 입장에서는 다르다.

[예시 답안] 영희: A지점이 빛을 향해 이동하므로 A에 먼저 도달하고 B지점은 빛과 같은 방향으로 이동하므로 빛이 나중에 도달한다.

철수: 빛은 A와 B에 동시에 도달한다.

성취 기준	성취 수준
빛의 속도 일정, 시간 지연, 길이 수축, 동시성, 질량-에너지 동등성 등 특수 상대성 이론의 기본 원리를 설명할 수 있다.	중

30 일반 상대성 이론의 등가 원리는 가속계에서 나타나는 현상이 중력장에서 나타나는 현상과 동등하다고 설명하였다. 따라서 가속되는 계의 내부에서는 직진하는 빛이 휘어지는 것으로 관측되므로 중력장에서도 같은 현상이 나타난다.

[예시 답안] 일반 상대성 이론에서는 중력을 실제 힘이 아닌 공간의 휘어짐으로 해석하였다. 커다란 질량체를 중심으로 공간이 휘어지게 되고 주변의 물체가 휘어진 공간을 따라 질량체 쪽으로 이동하는 것을 중력으로 새롭게 해석하였다.

성취 기준	성취 수준
가속 좌표계와 등가 원리 등 일반 상대성 이론의 기본 원리를 설명할 수 있다.	상

Ⅱ. 물질과 전자기장

1 ①	2 ③	3 ③	4 ①	5 ③

6 ②	7 ②	8 ④	9 ①	10 ⑤

11 ③	12 ④	13 ④	14 ⑤	15 ④

16 ④	17 ⑤	18 ②	19 ①     20 ⑤

21 ⑤     22 ②     23 ⑤     24 ④

25 해설 참조       26 해설 참조    27 해설 참조

28 해설 참조       29 해설 참조    30 해설 참조

1 도체 구 A와 B가 접촉해 있으므로 A의 자유 전자가 B로 이동할 수 있다. 또한, B의 (-)전하량과 A의 (+)전하량은 같으므로 각 도체 구에서 연결된 전기력선의 개수는 같다.

성취 기준	성취 수준
정지한 전하 주위에 발생하는 전기장을 전기력선의 개념을 이용하여 설명할 수 있다.	중

2 ㄱ. 대전체가 금속판과 접촉하면 검전기와 대전체 사이에 전자의 이동이 있다.

ㄷ. 대전체가 금속판에 접촉하면 전자의 이동에 의해 검전기의 금속판과 금속박은 대전체와 같은 종류의 전하로 대전되므로 금속박은 밀어내는 전기력이 작용하여 벌어져 있다.

* 오답피하기>  ㄴ. (나)에서 금속판과 금속박은 대전체와 같은 전하로 대전된다.

성취 기준	성취 수준
전기장 속에서 발생하는 도체의 정전기 유도 현상 과정과 부도체의 유전 분극 과정을 원자 모형을 통해 설명할 수 있다.	상

3 ㄱ. 도체판 사이에 형성된 전기장의 세기는 [eqn: E= F over q = rm 12~N over3~C = 4~N/C]이다.

ㄷ. 도체판 사이에 형성된 전기장은 균일하므로 전하가 받는 힘은 일정하다. 따라서 전하 Q는 [eqn: -x]방향으로 등가속도 직선 운동을 한다.

* 오답피하기>  ㄴ. 전기장의 방향은 단위 양전하(+1 C)를 기준으로 약속한 것이다. 따라서 Q와 같은 음(-)전하의 경우 전기력선의 방향과 반대의 전기력을 받는다.

성취 기준	성취 수준
정지한 전하 주위에 발생하는 전기장을 전기력선의 개념을 이용하여 설명할 수 있다.	중

4 ㄱ. X  지점에 전하량이 +2 C인 전하를 놓았을 때 전하에 작용하는 전기력의 크기는 [eqn: F=qE= rm 2~C TIMES 5~N/C=10~N]이다.

* 오답피하기>  ㄴ. 쿨롱 법칙에 의해 거리가 [eqn: r]만큼 떨어진 두 점전하 [eqn: Q _{1} ,`Q _{2}]사이에 작용하는 전기력의 세기 [eqn: F=k {Q _{1} Q _{2}} over {r ^{2}}]이다. 따라서 X지점보다 거리가 5배 만큼 떨어진 Y지점에서의 전기장 세기는 [eqn: 5`` rm N/C TIMES {1} over {5 ^{2}} =0.2``N/C]이다.

ㄷ. Y지점에 +5 C인 전하를 놓았을 때 전하에 작용하는 전기력의 크기는 [eqn: F=qE=rm 5~C× 0.2~N/C = 1~N]이다.

성취 기준	성취 수준
정지한 전하 주위에 발생하는 전기장을 전기력선의 개념을 이용하여 설명할 수 있다.	중

5 ㄱ. 중첩의 원리에 의해 하나의 전하에 작용하는 여러 개의 전기력은 벡터 합성법에 의해 합성하여 합력을 구하면 된다. 따라서 A, B, C, D가 받는 전기력의 크기는 모두 같다.

ㄴ. A와 D는 A와 B보다 [eqn: sqrt { 2}]배 멀리 떨어져 있고 전하량의 곱은 같다. 전기력의 세기는 전하가 떨어진 거리의 제곱에 반비례하므로 A와 D 사이 작용하는 힘은 [eqn: {F} over {2}]이다.

* 오답피하기> ㄷ. 원점에서의 전기장의 세기를 구하려면 원점에 단위 양전하가 있다고 가정하고 작용하는 전기력의 합력을 구한다. 단위 양전하와 각 A, B, C, D 사이에 작용하는 전기력의 크기는 [eqn: F]로 같고, 단위 양전하와 A, D 사이에 작용하는 전기력의 방향이 같고, 단위 양전하와 B, C 사이에 작용하는 전기력의 방향이 같다. 따라서 이 힘을 합성하여 합력을 구하면 [eqn: 2sqrt {2} F]이다.

성취 기준	성취 수준
정지한 전하 주위에 발생하는 전기장을 전기력선의 개념을 이용하여 설명할 수 있다.	상

6 ㄴ. 전원 장치의 (+)극에서 나가는 방향으로 전류가 흐르므로 직선 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장의 방향은 동쪽이다. 북쪽 방향의 지구 자기장과 동쪽 방향의 직선 전류에 의한 자기장을 평행사변형법으로 합성한 결과를 생각해 보면 나침반의 N극이 시계 방향으로 회전함을 알 수 있다.

* 오답피하기> ㄱ. 나침반은 지구 자기장과 직선 도선에 의한 자기장의 영향을 동시에 받는다. 두 개 이상의 자기장이 작용할 경우 벡터 합성법으로 합성한다. 전류가 흐르지 않았을 때 나침반 자침의 N극이 북쪽을 향하고 있으므로 지구 자기장은 북쪽 방향이다.

ㄷ. 전류의 세기가 증가하여 동쪽 방향의 자기장이 아무리 세진다 해도 나침반 자침의 N극이 90°이상 회전할 수 는 없다.

성취 기준	성취 수준
전류 주위에 발생하는 자기장을 자기력선의 개념을 이용하여 설명할 수 있다.	중

7 원형 도선 중심에서의 자기장은 원형 도선의 반경과 흐르는 전류의 세기에 의해 결정되므로 변하지 않았다. 직선 도선에 의한 자기장은 거리에 반비례하고 흐르는 전류의 세기에 비례하므로 역시 변하지 않았다. 따라서 원형 도선과 직선 도선에 의한 합성 자기장의 세기는 [eqn: B]로 같다.

성취 기준	성취 수준
전류 주위에 발생하는 자기장을 자기력선의 개념을 이용하여 설명할 수 있다.	중

8 ㄱ. 용수철의 길이가 늘어난 것은 솔레노이드와 자석 사이에 인력이 작용했다는 증거이다. 전원 장치의 (+)극에서 나오는 방향을 전류 방향으로 잡으면 오른손 법칙에 의해 솔레노이드 위쪽이 N극임을 알 수 있다. 따라서 자석의 아래쪽은 S극이다.

ㄴ. 자석은 정지해 있으므로 힘의 평형 상태이다. 따라서 솔레노이드가 아래로 당기는 힘과 용수철이 위로 당기는 힘의 크기는 같다. 만일 자석의 무게를 무시하지 않는다면, ‘솔레노이드가 자석을 당기는 힘+자석의 무게=용수철이 자석을 당기는 힘’의 관계가 성립할 것이다.

* 오답피하기>  ㄷ. 가변 저항기의 크기를 증가시키면 솔레노이드에 흐르는 전류의 세기가 감소하므로 솔레노이드가 자석을 당기는 힘이 감소하여 용수철이 늘어난 길이는 3 cm보다 짧아진다.

성취 기준	성취 수준
전류 주위에 발생하는 자기장을 자기력선의 개념을 이용하여 설명할 수 있다.	중

9 ㄱ. 전류의 방향을 따라 도선을 감아쥐면 강자성 막대와 상자성 막대 모두 오른쪽에는 N극, 왼쪽에는 S극이 형성된다. 따라서 두 막대 사이에는 인력이 작용한다.

* 오답피하기> ㄴ. a점에는 상자성 막대에서 강자성 막대 쪽으로 자기장이 형성되므로, 자기장의 방향은 오른쪽이다.

ㄷ. 전류가 사라져도 강자성 막대의 자성은 유지된다. 따라서 강자성 막대의 S극을 향하는 방향으로 상자성 막대가 자기화된다. 따라서 여전히 두 막대 사이에는 인력이 작용한다.

성취 기준	성취 수준
전자의 스핀과 궤도 운동을 알고, 자성이 그 결과로 나타난 현상임을 진술할 수 있다.	중

10 ㄱ. 반자성체는 물질 내부에 원자 자석이 존재하지 않는다. 따라서 외부 자기장 속에 놓이면 전자기 유도 현상에 의해 외부 자기장과 반대 방향으로 자기장이 형성된다.

ㄴ. 반자성체는 반자성을 띠는 물질로, 외부 자기장에 대해 척력이 작용한다.

ㄷ. 반자성체는 외부 자기장에 대한 반응으로 형성되므로 외부 자기장이 없으면 자성은 사라진다.

성취 기준	성취 수준
전자의 스핀과 궤도 운동을 알고, 자성이 그 결과로 나타난 현상임을 진술할 수 있다.	하

11 ㄱ. 강자성체의 내부는 외부 자기장과 같은 방향으로 자기화된다. 따라서 강자성체 막대의 내부에 생기는 자기장은 아래 방향이다.

ㄴ, ㄷ. (나)에서 N극이 멀어질 때 원형 도선의 위 부분은 S극을 띠게 되므로 강자성 막대와 원형 도선 사이에는 인력이 작용한다. 따라서 원형 도선에는 ⓐ의 반대 방향으로 전류가 흐른다.

성취 기준	성취 수준
전자의 스핀과 궤도 운동을 알고, 자성이 그 결과로 나타난 현상임을 진술할 수 있다.	상

12 ㄴ, ㄷ. 원형 도선이 놓인 부분에서 직선 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장은 종이면에 수직으로 들어가는 방향이다. 따라서 원형 도선이 [eqn: +x]방향으로 등속 직선 운동하거나  [eqn: x]축을 중심으로 회전하면 원형 도선을 수직으로 뚫고 지나가는 자기력선의 수가 연속적으로 변해 원형 도선에는 전류가 흐른다.

* 오답피하기>  ㄱ. 직선 전류에 의해 형성된 자기장은 직선 도선으로부터의 거리에만 의존하기 때문에 [eqn: y]축 방향으로 움직이는 것은 자기 선속의 변화에 아무 영향이 없다.

성취 기준	성취 수준
패러데이의 법칙을 알고 이를 통해 유도 전류를 설명할 수 있다.	중

13 ㄱ. 금속선을 일정한 속력으로 당기고 있다는 것은 원형 도선의 지름이 일정하게 감소하고 있다는 의미이다. 원의 지름은 반지름과 비례하므로 반지름 역시 일정하게 감소한다.

ㄴ. 원형 부분 P를 통과하는 자기 선속이 감소하므로 P에는 종이면에 수직으로 들어가는 자기 선속이 만들어지도록 유도 전류가 흐른다. 따라서 전류의 방향은 ⓑ이다.

* 오답피하기>  ㄷ. 원형 도선을 통과하는 자기장의 세기가 일정하므로 유도 기전력의 크기는 원형 도선의 면적 변화율에 의존한다. 면적은 반지름의 제곱과 관련 있으므로 반지름이 일정하게 감소한다고 하면 반지름 제곱의 순간 변화율은 점차 감소한다.(이차함수 포물선에서 독립 변수가 일정하게 감소한다고 할 때 접선의 기울기 변화를 생각해보라.). 미분식으로 나타내도 같은 결과를 얻을 수 있다. 유도 기전력 [eqn: varepsilon = {d PHI } over {dt} =B {dS} over {dt}]=[eqn: B {d} over {dt} ( pi r ^{2} )=2 pi rB {dr} over {dt}]이다. 이때 [eqn: B]와 [eqn: {dr} over {dt}]는 일정하고 [eqn: r]는 점차 감소하므로 기전력은 감소한다.

성취 기준	성취 수준
패러데이의 법칙을 알고 이를 통해 유도 전류를 설명할 수 있다.	중

14 ㄱ. (나)에서 자석이 플라스틱 원통을 통과할 때는 전자기 유도 현상이 일어나지 않기 때문에 (가)와 같은 속도로 떨어지게 된다.

ㄴ. 자기장이 변할 때 도체 내부의 자유 전자는 자기장 변화를 상쇄하는 방향으로 움직인다. (다)에서 금속 원통에 솔레노이드 도선이 있는 것은 아니지만 자유 전자는 마치 솔레노이드가 있는 것처럼 나선형으로 돌아가는 유도 전류를 형성한다.

ㄷ. 구리 원통에는 자석의 접근으로 인해 변하는 자기장을 상쇄하기 위해 나선형의 유도 전류가 흐른다. 이때 자석에는 척력이 작용하므로 자석의 역학적 에너지는 감소한다.

성취 기준	성취 수준
패러데이의 법칙을 알고 이를 통해 유도 전류를 설명할 수 있다.	중

15 ㄴ. 자기장의 세기가 증가하면 유도 기전력이 증가하여 유도 전류의 세기도 증가한다.

ㄷ. 외력을 가해 알루미늄 막대를 당겼음에도 불구하고 알루미늄 막대의 운동 에너지는 전혀 증가하지 않았다. 그렇다면 외력이 한 일은 어디로 갔는가? 에너지는 소멸하지 않고 전환될 뿐이다. 외력이 한 일은 도선에 흐르는 전류의 전기 에너지로 모습을 바꾸었다. 즉, 외력의 일률(1초당 외력이 한 일)은 도선의 저항에서 발생한 전력(1초당 저항에서 발생한 전기 에너지)과 같다.

* 오답피하기>  ㄱ. 알루미늄 막대가 오른쪽으로 일정한 속도로 움직이면 종이면에서 수직으로 나오는 자기 선속이 증가하는 방향으로 유도 전류가 흐른다. 따라서 유도 전류의 방향은 P →R → Q이다.

성취 기준	성취 수준
패러데이의 법칙을 알고 이를 통해 유도 전류를 설명할 수 있다.	중

16 ㄱ. 백열전구의 스펙트럼은 연속 스펙트럼이다.

ㄴ. 기체 A의 흡수 스펙트럼 선은 기체 A의 전자들이 높은 에너지 준위로 전이하면서 흡수한 에너지 파장들의 흔적이다. 따라서 기체 A의 방출 스펙트럼의 파장은 흡수 스펙트럼의 파장과 같다.

ㄷ. 선 스펙트럼은 전자가 전이할 때 흡수하거나 방출하는 특정 파장의 빛이 있음을 시사하며 이것은 전자의 에너지 준위가 양자화 되어 있다는 강력한 증거이다.

성취 기준	성취 수준
원자의 에너지 준위가 양자화 되었음을 인식하고, 들뜬상태에서 빛의 방출이 불연속 스펙트럼의 형태로 나타남을 진술할 수 있다.	하

17 ㄱ. 전자는 높은 에너지 준위로 이동할 때 에너지를 흡수하고 낮은 준위로 떨어질 때 에너지를 방출한다. 이때 에너지는 전자기파 형태이다. 에너지 준위란 원자 내에서 전자가 갖는 역학적 에너지를 의미한다.

ㄴ. [eqn: f _{a}]는 [eqn: n]=4에서 [eqn: n]=2로 떨어질 때 방출하는 빛의 진동수와 같다. [eqn: n]=2로 떨어질 때 방출되는 빛은 발머 계열로 분류하며 가시광선 영역에 해당된다.

ㄷ. [eqn: DELTA E=hf]이므로 전자가 전이할 때 에너지 준위 차이는 방출하거나 흡수하는 빛의 진동수에 비례한다. 따라서 [eqn: n=3]인 상태에 있는 전자가 진동수 [eqn: f_a - f_b]인 빛을 방출하면 [eqn: n=2]인 상태로 전이한다.

성취 기준	성취 수준
원자의 에너지 준위가 양자화 되었음을 인식하고, 들뜬상태에서 빛의 방출이 불연속 스펙트럼의 형태로 나타남을 진술할 수 있다.	상

18 ㄴ. B는 에보나이트 막대 사이에 전자의 이동이 있어 접촉 후 바로 떨어진다. 따라서 B는 도체이며 에너지띠 구조는 a에 해당한다. b는 반도체, c는 절연체의 에너지띠를 나타낸다.

* 오답피하기>  ㄱ. A는 전자가 자유롭게 이동할 수 없으므로 에보나이트 막대와 접촉하여도 분극 상태를 유지하여 인력이 계속 작용한다.

ㄷ. B는 도체로 원자가띠의 전자가 전도띠로 이동하는 것은 A가 B보다 어렵다.

성취 기준	성취 수준
에너지띠 이론을 정성적으로 설명하고, 도체, 반도체, 절연체 등을 전도성을 기준으로 구분하여 차이를 설명할 수 있다.	중

19 반도체와 절연체는 최외각 전자가 원자가 띠의 가장 높은 준위까지 채우고 있어 외부에서 특정 값 이상의 에너지(밴드갭 에너지)를 얻지 못하는 한 전류가 흐를 수 없다.

* 오답피하기>  도핑은 순수 반도체에 불순물을 섞는 것을 말하는데 최외각 전자가 5개인 불순물을 이용하여 n형 반도체를, 3개인 불순물을 이용하여 p형 반도체를 만든다. p형 반도체의 전하 운반자는 주로 양공이고, n형 반도체의 전하 운반자는 주로 전자이다.

성취 기준	성취 수준
에너지띠 이론을 정성적으로 설명하고, 도체, 반도체, 절연체 등을 전도성을 기준으로 구분하여 차이를 설명할 수 있다.	중

20 ㄱ, ㄴ. 그림은 다이오드의 순방향 연결을 설명한다. 순방향 연결은 p형 반도체에 전원의 (+)극을, n형 반도체에 (-)극을 연결한 것으로 p-n 접합부로 전자와 양공이 접근하여 결합한다.

ㄷ. 전자와 양공이 결합할 때 전자의 에너지 준위가 낮아지게 되는데 이에 해당되는 에너지가 열 또는 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 방출하는 소자를 발광 다이오드(LED)라고 한다.

성취 기준	성취 수준
p-n 접합의 원리를 진술하고, 다이오드, LED, 트랜지스터 등 의 작동 원리를 p-n 접합 원리와 연관지어 설명할 수 있다.	하

21 ㄱ. 그림의 발광 다이오드는 자기 선속 변화에 의한 유도 기전력에 의해 전류가 흐른다. 따라서 종이면에서 수직으로 나오는 방향의 자기 선속이 증가하는 방향으로 전류가 유도되므로, 전류가 흐르는 방향은 ⓐ이다.

ㄴ. 도체 막대는 등속 운동을 하므로 LED에 걸리는 전압의 크기는 일정하다.

ㄷ. 막대의 운동 방향을 반대로 바꾸면 기전력의 방향도 반대가 되어 발광 다이오드에는 역방향 전압이 걸리므로 전류가 흐르지 않는다.

성취 기준	성취 수준
p-n 접합의 원리를 진술하고, 다이오드, LED, 트랜지스터 등 의 작동 원리를 p-n 접합 원리와 연관지어 설명할 수 있다.	중

22 ㄴ. p-n-p형 트랜지스터로 베이스와 컬렉터 사이에 역방향 전압이 걸려있다.

* 오답피하기>  ㄱ. 그림의 트랜지스터는 전류의 방향으로 보아 p-n-p형이다.

ㄷ. 이미터와 베이스 사이의 순방향 전압에 의해 양공이 베이스로 주입된다. 그러나 베이스의 두께는 굉장히 얇아서 대부분의 양공은 컬렉터로 넘어가게 된다. 베이스와 컬렉터 사이에 걸린 큰 역방향 전압은 컬렉터의 양공을 강하게 끌어 모아 큰 전류를 만든다. 이때 베이스 전류([eqn: I_b])의 작은 변화가 컬렉터 전류([eqn: I_c])의 커다란 변화로 나타난다.

성취 기준	성취 수준
p-n 접합의 원리를 진술하고, 다이오드, LED, 트랜지스터 등 의 작동 원리를 p-n 접합 원리와 연관지어 설명할 수 있다.	중

23 ㄱ. (가)에서 수직 편광판 사이에 액정이 있는데도 빛이 통과하지 못했으므로 액정에는 전압이 걸려 있음을 알 수 있다. (가) 상태에서 전압을 감소시키면 빛의 양이 점차 증가한다. ㄴ. (나)에서 전자시계 액정을 통과한 빛은 한 방향으로 편광되어 있다.

ㄷ. (나)에서 전자시계 액정을 통과한 빛 중 편광판 부분이 완전히 검게 보이는 것은 편광판의 방향과 전자시계를 통과한 빛의 편광 방향이 수직임을 의미한다. 그러므로 편광판을 90°회전시키면 가장 밝아진다.

성취 기준	성취 수준
초전도체, 유전체, 액정 등 다양한 신소재의 기본 특징을 설명할 수 있으며, 다양한 신소재가 활용된 예를 진술할 수 있다.	상

24 ㄴ. 임계 온도 이하에서 초전도체는 열이 발생하지 않아 센 전류가 흐를 수 있다.

ㄷ. 그래프 (가)는 임계 온도 이하에서 초전도체의 전기 저항이 0이 되는 것을 나타낸다. (나)는 초전도체가 외부 자기장에 대하여 반대 방향으로 자기화되어 척력이 작용하는 자기장 차폐 효과를 나타낸 그림이다. 이러한 현상을 마이스너 효과라고 한다.

* 오답피하기>  ㄱ. 특정 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 현상이 발생하는 물질을 초전도체라고 한다.

성취 기준	성취 수준
초전도체, 유전체, 액정 등 다양한 신소재의 기본 성질을 설명 할 수 있다.	하

25 플라스틱 막대는 음(-)전하로 대전되었으므로 금속 막대의 오른쪽 끝부분에는 자유 전자가 모여 있다.

[예시 답안] 금속구의 왼쪽은 양(+)전하로 대전되어 금속 막대 쪽으로 끌려오지만 접촉하는 순간 금속 막대의 자유 전자가 금속구로 이동하면서 대전 상태가 없어진다. 그러므로 접촉하자마자 금속 막대와 금속구는 떨어진다.

성취 기준	성취 수준
전기장 속에서 발생하는 도체의 정전기 유도 현상 과정과 부도체의 유전 분극 과정을 원자 모형을 통해 설명할 수 있다.	중

26 전기력선의 모양과 밀도를 통해 전하의 종류 및 전하량을 알 수 있다.

[예시 답안] 양(+)전하인 A에서 나온 전기력선과 B에서 나온 전기력선이 반발하고 있으므로 B는 양(+)전하이다. 또한 A 주변의 전기력선이 더 촘촘하므로 전하량은 A가 B보다 크다.

성취 기준	성취 수준
전기장 속에서 발생하는 도체의 정전기 유도 현상 과정과 부도체의 유전 분극 과정을 원자 모형을 통해 설명할 수 있다.	중

27 유도 기전력의 크기는 자기 선속의 시간 변화율에 의존한다. 자기 선속 =(자기장의 세기 )×(닫힌 회로에서 자기장이 통과하는 면적)이다. 그림에서 자기장의 세기는 일정하므로 사각형 회로에서 자기장이 통과하는 면적의 시간 변화율을 비교하면 된다.

[예시 답안] C > B > A

성취 기준	성취 수준
패러데이의 법칙을 알고 이를 통해 유도 전류를 설명할 수 있다.	중

28 스펙트럼이란 해당 물질이 흡수하거나 방출한 빛의 파장을 확인할 수 있는 간단하고 정확한 방법이다.

[예시 답안] 방출 스펙트럼이란 물질에서 방출되는 빛을 파장별로 나눈 것이다. 수소의 경우 방출 스펙트럼은 선으로 나타나는데 이는 수소 원자가 정해진 특정 파장의 빛만을 방출한다는 뜻이다. 원자가 에너지를 방출하는 것은 전자의 에너지 준위가 낮아지는 경우이다. 따라서 전자의 전이는 수소 스펙트럼에 나타나는 선에 일대일 대응된다. 이는 전자의 에너지 준위가 띄엄띄엄함을 의미한다.

성취 기준	성취 수준
원자의 에너지 준위가 양자화 되었음을 인식하고, 들뜬상태에서 빛의 방출이 불연속 스펙트럼의 형태로 나타남을 진술할 수 있다.	하

29 A와 C는 실리콘과 같은 반도체 기판으로 최외각 전자의 수는 4개이다. (가)는 n형 반도체이므로 불순물인 B는 잉여 전자를 만들 수 있는 최외각 전자 5개짜리 물질이며, (나)는 p형 반도체이므로 불순물인 D는 양공을 만들 수 있는 최외각 전자 3짜리 물질이다.

[예시 답안] A : 4개,  B : 5개,  C : 4개,  D : 3개

성취 기준	성취 수준
p-n 접합의 원리를 진술하고, 다이오드, LED, 트랜지스터 등 의 작동 원리를 p-n 접합 원리와 연관지어 설명할 수 있다.	하

30 Q점에 놓인 음(-)전하는 왼쪽으로 전기력을 받으므로 왼쪽으로 이동한다. 이때 전기력선이 점차 촘촘해지므로 전기장의 세기가 증가한다. 따라서 음(-)전하의 가속도도 증가한다.

[예시 답안] 왼쪽으로 작용하는 전기력이 점차 증가하므로 음(-)전하는 왼쪽으로 가속도가 증가하는 운동을 한다.

성취 기준	성취 수준
정지한 전하 주위에 발생하는 전기장을 전기력선의 개념을 이용 하여 설명할 수 있다.	중

Ⅲ. 정보와 통신

1 ③	2 ③	3 ②	4 ④	5 ③

6 ①	7 ⑤	8 ⑤	9 ②	10 ③

11 ⑤	12 ③	13 ⑤	14 ④	15 ⑤

16 ⑤	17 ③	18 ①	19 ⑤    20 ②

21 ⑤     22 ①     23 ①     24 ①

25 해설 참조       26 해설 참조    27 해설 참조

28 해설 참조       29 해설 참조    30 해설 참조

1 ㄱ, ㄷ. 그래프에서 파장은 16 m이고, 파동이 1초 동안 [eqn: 1over4]파장만큼 진행하므로 주기는 4초임을 알 수 있다. 따라서 파동의 속력은 [eqn: v= lambdaoverT = rm 16~m over4~s = 4~m/s]이다.

* 오답피하기>  ㄴ. 파동이 전달되면 정지해 있던 매질 입자가 위아래로 진동한다. 그러나 매질 입자 자체가 파동 진행 방향으로 이동하는 것은 아니다.

성취 기준	성취 수준
소리 정보의 활용, 초음파의 의미와 발생 장치 및 실생활의 이용을 예를 들고 그 원리를 설명할 수 있다.	중

2 ㄴ. 초음파는 진동수가 10,000 Hz 이상인 영역으로 파장이 짧아 인간이 인식할 수 없다. 그러나 음파의 일종이므로 목소리와 진행 속도는 같다. 파동의 진행 속도는 오로지 매질의 종류 및 성질에 의해 결정된다.

ㄷ. 목소리는 초음파보다 파장이 길어 회절이 더 잘 된다.

* 오답피하기>  ㄱ. 초음파는 목소리보다 진동수가 크고 파장이 짧다.

ㄹ. 초음파는 공기를 통하여 에너지를 전달하는 파동이다.

성취 기준	성취 수준
파동의 특성과 관련하여 소리의 굴절, 반사, 회절 등을 설명할 수 있다.	하

3 정상파(standing wave)는 반대 방향으로 진행하는 동일한 두 파동이 중첩되어 마치 정지해 있는 것처럼 보이는 파동이다. 정상파의 마디는 고정되어 있고 배는 교대로 출렁이는 듯한 모습이 관찰된다.

성취 기준	성취 수준
소리의 공명, 간섭을 설명할 수 있다.	중

4 ㄴ. 줄에 형성된 정상파의 파장이 40 cm이고 진동수가 680 Hz이므로 줄에서 파동의 진행 속도는 272 m/s이다.

ㄷ. 파동의 진행 속도는 매질의 종류에 결정된다. 그러므로 줄에서 진행하는 파동의 속도와 공기에서 진행하는 파동의 속도는 다르다. 그러나 한번 발생한 파동의 진동수는 매질이 달라져도 바뀌지 않는다. 따라서 줄에서의 진동수와 공기에서의 진동수는 680 Hz로 동일하다.

* 오답피하기>  ㄱ. 정상파의 파장은 마디와 이웃한 마디 사이 거리의 두 배이므로 40 cm이다.

성취 기준	성취 수준
소리의 공명, 간섭을 설명할 수 있다.	상

5 ㄱ. 정상파는 동일한 두 파동이 반대로 진행하여 간섭하였을 때 나타난다. 이때 진폭이 최대가 되어 크고 울리는 소리가 나는데 이러한 현상을 공명이라 한다. 공명 현상은 악기의 원리인데 악기에서 정상파 형성이 가능한 이유는 그림과 같이 악기의 양 끝이 고정되어 파동이 반사하기 때문이다.

ㄴ. 진동수는 파장에 반비례하므로, (다)에서 형성된 정상파의 진동수는 (가)의 진동수의 3배이므로 [eqn: 3f]이다.

* 오답피하기>  ㄷ. 정상파의 기본 진동에서 배진동은 기본 진동수(배가 1개일 때의 진동수)의 자연수 배이다.

성취 기준	성취 수준
소리의 공명, 간섭을 설명할 수 있다.	중

6 ㄱ. 그래프에서 광전류의 최댓값은 A에 의한 것이 B에 의한 것보다 크다. 광전류가 클수록 단위 시간 동안 지나간 전자의 수가 많음을 의미한다. 광전 효과는 광자와 전자의 일대일 충돌이므로 광전류의 값은 입사한 광자의 수와 밀접한 관련이 있다. 또한, 광자의 수는 입사한 빛의 세기와 비례한다.

* 오답피하기>  ㄴ, ㄷ. 정지 전압은 광전 효과로 인해 방출된 전자를 정지시키는데 필요한 전압으로, 정지 전압이 클수록 전자의 최대 운동 에너지와 입사한 빛의 진동수가 크다.

성취 기준	성취 수준
광전 효과를 이해하고, 여러 가지 광센서의 구조와 원리를 설명 할 수 있다.	중

7 ㄱ. 광센서는 빛을 전류로 바꾸는 장치로 로봇은 물체에서 반사된 빛을 광센서로 인식하여 물체의 위치를 알 수 있다.

ㄴ. 광다이오드는 p-n 접합 다이오드에 입사한 빛에너지가 전자와 양공을 분리하여 전류가 흐르게 하는 장치로 태양 전지도 이와 같은 원리이다.

ㄷ. (다)는 엽록소에서 광자로부터 흡수한 전자의 에너지를 이용하여 포도당을 만드는 데 필요한 에너지를 생성한다.

성취 기준	성취 수준
광전 효과를 이해하고, 여러 가지 광센서의 구조와 원리를 설명 할 수 있다.	하

8 A, D가 놓인 부분이 노란색으로 보이므로 [eqn: L_1]은 노란색 단색광이고, [eqn: L _{2}]가 한계 진동수에 미치지 못하므로 B에서는 광전자가 방출되지 않는다. 따라서 진동수가 더 작은 빨간색 단색광이 [eqn: L_2]에 해당된다. 광전자의 방출 여부는 오로지 진동수만이 관여하므로 한계 진동수에 미치지 못하는 빛들은 아무리 중첩해서 비추어도 광전자를 방출시킬 수 없다.

ㄱ, ㄴ. A와 B에서 모두 광전자가 방출되지 않았으므로 [eqn: L _{2}]는 한계 진동수 미만이다. 그러므로 [eqn: L _{2}]를 단독으로 비춘 C에서도 광전자는 방출되지 않는다.

ㄷ. 노란색은 단색광일 때보다 빨간색과 초록색이 합성되었을 때 초록색 빛의 영향으로 더 짧은 파장 영역까지 포함된다.

성취 기준	성취 수준
광전 효과를 이해하고, 여러 가지 광센서의 구조와 원리를 설명 할 수 있다.	상

9 ㄷ. 빛의 파장에 따라 세 종류의 원뿔 세포가 반응하는 정도의 차이를 대뇌가 인식하여 물체의 색을 구별한다. 따라서 세 가지 원뿔 세포의 반응 정도에 따라 가시광선 영역의 모든 색을 감지할 수 있다.

* 오답피하기>  ㄱ. 적원뿔 세포와 녹원뿔 세포가 비슷한 세기로 반응하면 노란색으로 인식된다. 이때 적원뿔 세포의 반응 강도가 증가하면 주황색으로 인식된다.

ㄴ. 청원뿔, 녹원뿔, 적원뿔 세포는 각 세포가 가장 크게 반응하는 빛의 파장 영역을 반영한 이름이다. 초록색 단색광이 입사했을 때 녹원뿔 세포만 단일로 반응하는 것은 아니다. 주어진 자료를 분석하여 판단해야 한다.

성취 기준	성취 수준
눈에서 색채를 인식하는 과정과 빛의 삼원색의 의미를 설명할 수 있다.	중

10 ㄴ, ㄷ. 전기장과 자기장은 위상이 같으며 각 진동 방향은 수직을 이룬다.

* 오답피하기>  ㄱ. 전자기파는 전기장의 진동이나 자기장의 진동을 발생시키면 서로가 서로를 유도하면서 진행한다.

ㄹ. 전자기파는 전자가 가속도 운동할 때 발생한다.

성취 기준	성취 수준
전자기파의 스펙트럼을 알고, 각 파동의 영역별 파장의 크기와 파장별 쓰임새를 설명할 수 있다.	중

11 ㄱ. 전자기파는 전기장의 변화 또는 자기장의 변화가 발생할 때 생긴다. 전기장의 변화를 발생시키는 대표적인 방법은 축전기에 교류 전원을 걸어주는 것이다. 축전기 극판에 일정 전하량이 저장되어 있으면 극판 사이에 일정한 전기장이 생긴다. 이 때 축전기에 교류 전원을 연결하여 전하량이 늘었다 줄었다 하면 전기장은 변하게 되고 금속구에서 튀어나온 전자가 가속 운동을 하면서 전자기파가 발생한다.

ㄴ. 그림의 안테나는 축전기의 두 극판을 벌려놓은 형태로 전기장의 진동 방향은 극판이 놓인 방향과 나란한 [eqn: x] 방향이다.

ㄷ. 전자의 운동 방향은 전기장의 방향과 반대이다.

성취 기준	성취 수준
전자기파 발생과 안테나를 통한 수신 과정을 설명할 수 있다.	중

12 ㄱ. LC 회로에는 일정 주기로 진동하는 전류가 흐른다. 축전기에 전하가 충전된 상태에서 코일 없이 도선을 연결하면 전하가 방전되고 결국 두 극판이 중성이 되어 전류가 흐르지 않는다.

ㄴ. 축전기에 전하를 충전함으로써 전기 에너지 형태로 에너지를 저장하고, 코일에는 전류가 흐름으로써 자기장이 생겨 자기 에너지 형태로 에너지를 저장한다.

* 오답피하기>  ㄷ. LC 회로에서 코일에 유도되는 역기전력(전류의 변화를 방해하는 방향의 기전력=유도 기전력)에 의해 전류가 유지된다. 따라서 축전기의 두 극판이 중성이 되어도 전자가 계속 차오르게 되어 (다)에서 두 극판은 (가)와 반대의 전하로 충전된다.

성취 기준	성취 수준
전자기파 발생과 안테나를 통한 수신 과정을 설명할 수 있다.	중

13 ㄷ. LC 회로의 공진 주파수(공명 진동수)에 해당되는 주파수만이 최대의 전류를 흐르게 할 수 있다. 스피커에는 A에 의한 방송만이 나오므로 진동수가 [eqn: f _{rmA}]일 때 최대의 전류가 흐른다.

ㄹ. 공진 주파수는 코일의 자체 유도 계수([eqn: L])와 축전기의 전기 용량([eqn: C])에 의해 결정된다.

* 오답피하기>  ㄱ. 안테나는 도체로 이루어져 있다. 안테나의 전자는 다양한 진동수의 전파에 의해 진동할 수는 있으나 모든 진동수의 전파가 LC 회로에 수신되지는 않는다.

ㄴ. LC 회로에 흐르는 특정한 주파수의 교류에 의해 자기장이 발생한다.

성취 기준	성취 수준
전자기파 발생을 바탕으로 무선 통신과 방송의 원리를 설명할 수 있다.	중

14 ㄱ, ㄷ. (가)는 음성 신호가 전기 신호로 변환된 것을, (나)는 복조 과정을 통해 분리된 전기 신호를 나타낸 것이다.

* 오답피하기>  ㄴ. 전기 신호의 세기에 따라 일정한 진폭의 교류 신호의 주파수를 변화시키는 FM 변조 과정이다.

성취 기준	성취 수준
전자기파 발생을 바탕으로 무선 통신과 방송의 원리를 설명할 수 있다.	하

15 ㄱ, ㄴ. 전반사는 빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행할 때 일어나며, 입사각이 임계각보다 커야 한다. 임계각은 굴절각이 90°가 되는 입사각을 의미한다.

ㄷ. 광통신은 정보가 담긴 빛 신호를 광섬유 내부에서 전반사시켜 정보를 주고받는 형식으로, 전반사 현상을 이용하면 빛 신호를 전달할 때 반사로 인한 빛의 손실을 최소화할 수 있다.

성취 기준	성취 수준
전반사 현상을 알고, 광섬유에서 빛신호 전달을 통한 광통신 과정을 설명할 수 있다.	하

16 ㄷ. 빛의 전반사가 일어나려면 입사각이 임계각(굴절각이 90°가 되게 하는 입사각)보다 커야 하고 밀한(굴절률이 상대적으로 큰)매질에서 소한(굴절률이 상대적으로 작은)매질 쪽으로 입사해야 한다. 만일 소한 매질에서 밀한 매질 쪽으로 빛이 입사한다면 입사각을 아무리 조절해도 굴절각을 90°가 되게 할 수 없다. 따라서 θ는 임계각보다 크다.

ㄹ. 코어는 클래딩보다 굴절률이 커야 한다.

* 오답피하기>  ㄱ, ㄴ. 매질 내에서 파동의 속력이 빠를수록 굴절률이 작고 속력이 느릴수록 굴절률이 크다. 따라서 빛의 속력은 A<B<C 이고, 굴절률은 C<B<A이다.

성취 기준	성취 수준
전반사 현상을 알고, 광섬유에서 빛신호 전달을 통한 광통신 과정을 설명할 수 있다.	중

17 전반사는 소한 매질에서 밀한 매질 쪽으로 빛을 입사시키는 경우에는 굴절각이 입사각보다 작으므로 일어나지 않는다. 굴절광이 매질의 경계선 쪽이 아니라 법선 쪽으로 꺾이게 되어 입사각을 아무리 조절해도 굴절각이 90°가 되게 할 수 없기 때문이다.

ㄷ. 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 임계각은 작아진다. 그림에서 [eqn: i]가 커지면 코어와 클래딩의 경계면에서 반사하는 빛의 입사각이 작아진다. 따라서 [eqn: n_1]과 [eqn: n_2]의 차이가 클수록 전반사가 일어나게 하는 [eqn: i]의 최댓값은 커진다.

* 오답피하기>

ㄱ. 전반사가 일어나기 위해서는 코어의 굴절률([eqn: n_1])이 클래딩의 굴절률([eqn: n_2])보다 커야 한다.

ㄴ. [eqn: i]가 작아지면 코어와 클래딩의 경계면에서 반사하는 빛의 입사각이 커지므로 전반사는 일어난다.

성취 기준	성취 수준
전반사 현상을 알고, 광섬유에서 빛신호 전달을 통한 광통신 과정을 설명할 수 있다.	상

18 ㄱ. 스위치를 A(직류 전원)에 연결하는 전원과 축전기 극판 사이의 전압이 같아질 때까지 전자가 이동하여 양 극판에 전하가 충전되므로 전류는 계속 흐를 수 없다.

* 오답피하기>  ㄴ. 스위치를 B(교류 전원)에 연결하면 전원의 극이 주기적으로 바뀌기 때문에 충전과 방전이 반복되면서 전류가 흐른다.

ㄷ. 축전기는 교류 전원 하에서 저항의 역할을 할 수 있다. 축전기의 저항인 용량 리액턴스([eqn: X _{C}])는 교류 전원의 진동수와 전기 용량(C)에 반비례한다. 스위치를 B(교류 전원)에 연결하고 교류 전원의 진동수를 증가시키면 축전기의 저항 효과가 감소하여 회로에 흐르는 전류의 세기는 증가한다.

성취 기준	성취 수준
저항, 축전기와 코일을 이용하여 전기 신호의 진동수 및 크기를 조절하는 원리를 설명할 수 있다.	중

19 ㄱ. (가)에서 전류가 흐르는 순간 커다란 역기전력이 생겨 전류의 흐름을 방해한다. 그러나 충분한 시간이 지나면 전류는 정상 상태를 유지하게 된다.

ㄴ. (나)의 코일에 교류가 흐르면 자기 선속의 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 생겨서 전류의 흐름을 방해한다.

ㄷ. (나)에서는 시간에 따라 변하는 전류가 흐르므로 코일 내부에 형성된 자기장의 세기도 계속 변하므로 역기전력이 지속적으로 작용한다.

성취 기준	성취 수준
저항, 축전기와 코일을 이용하여 전기 신호의 진동수 및 크기를 조절하는 원리를 설명할 수 있다.	중

20 축전기의 용량 리액턴스([eqn: X _{C}])는 교류 전원의 진동수에 반비례하고 코일의 유도 리액턴스([eqn: X _{L}])는 교류 전원의 진동수에 비례한다. 또한, 축전기 또는 코일과 저항이 직렬로 연결된 회로에서 저항에 비례하여 전압이 배분된다.

ㄴ. 코일이나 축전기의 리액턴스는 교류 회로에서의 저항 효과를 나타내므로 리액턴스가 클수록 저항에 걸리는 전압은 작아진다.

* 오답피하기>  ㄱ. a에 연결하면 진동수가 커질수록 저항에 걸리는 전압이 커진다. 이것은 A의 저항이 작아져 걸리는 전압도 감소했음을 의미한다. 진동수가 클수록 저항이 작아지는 소자는 축전기이다. b에 연결하면 진동수가 클수록 저항에 걸리는 전압이 작아진다. 이것은 B의 저항이 커져 걸리는 전압도 증가했음을 의미한다. 진동수가 클수록 저항이 커지는 소자는 코일이다.

ㄷ. 저항의 저항값은 진동수와 관계없으나 진동수가 변하면 회로의 합성 저항이 변하므로 전류의 세기가 변하게 된다.

성취 기준	성취 수준
저항, 축전기와 코일을 이용하여 전기 신호의 진동수 및 크기를 조절하는 원리를 설명할 수 있다.	상

21 ㄱ. RLC 회로(또는 LC 회로)에서 유도 리액턴스와 용량 리액턴스가 같을 때 교류 회로의 합성 저항(임피던스)이 최소가 되고 전류는 최대로 흐른다. 이때 교류의 주파수를 공진 주파수([eqn: f _{0}])라 한다. [eqn: X _{ C it} = {1} over {2 pi fC}]과 [eqn: X _{{L}}=2 pifL]이므로 [eqn: X_{{ C}}=X _{ {L}}]로부터 유도하면 공진 주파수  [eqn: f _{0} = {1} over {2 pi sqrt {LC}}] 이다.

ㄴ, ㄷ. 외부에서 진동수가 [eqn: f _{0}]인 전파가 도달하면, 이것이 교류 전원 역할을 하므로 회로에 최대 전류 [eqn: I_0]가 흐른다. 따라서 그림의 회로를 통해 주파수가 [eqn: f_0]인 전자기파를 수신할 수 있다.

성취 기준	성취 수준
전자기파 센서의 원리를 설명할 수 있고 전자기파를 이용한 정보 인식 방법을 설명할 수 있다.	중

22 ㄱ. 차량 단말기에는 안테나에서 발생시킨 전자기파를 수신하는 전자기파 센서가 달려있으며, 태그에 해당한다.

* 오답피하기>  ㄴ. RFID(Radio Frequency IDentification)는 라디오파를 이용한 전자기파 센서이다.

ㄷ. 차량 단말기 수신 회로와 안테나는 전파로 정보를 주고받는데, 이는 차량 단말기 수신 회로의 고유 진동수와 안테나가 보내는 전자기파의 진동수가 같기 때문에 나타나는 파동의 공명 현상에 해당한다. 따라서 차량 단말기 수신 회로는 다른 종류의 리더에서 발생시킨 전파에는 반응하지 않으므로 정보 교환시 혼란을 피할 수 있다.

성취 기준	성취 수준
전자기파 센서의 원리를 설명할 수 있고 전자기파를 이용한 정보 인식 방법을 설명할 수 있다.	하

23 ㄱ. 전파 발생 장치에서 발생한 전파는 전기장과 자기장의 진동을 통해 진행한다. 이때 원형 고리 형태의 안테나 내부에 시간에 따라 변하는 자기장이 통과하면 전자기 유도 현상에 의해 원형 안테나에 전류가 유도된다.

* 오답피하기>  ㄴ. 전파 수신 장치는 RFID 시스템에서 태그에 해당한다.

ㄷ. 원형 안테나에 유도된 전류의 주파수가 전파 수신 장치의 고유 진동수와 같으면 최대의 전류가 흐르고 발광 다이오드(LED)에 불이 들어온다.

성취 기준	성취 수준
전자기파 센서의 원리를 설명할 수 있고 전자기파를 이용한 정보 인식 방법을 설명할 수 있다.	중

24 ㄱ. CD와 DVD는 정보 저장 용량만 다를 뿐 기본 원리는 동일하다. CD와 DVD는 모두 표면에 홈을 만들어 홈이 파인 부분과 그렇지 않은 평평한 부분들의 조합을 통해 정보를 저장하고 인식한다. CD와 DVD는 평평한 면에 홈을 새겨 반사된 빛의 밝기를 통해 ‘0’과 ‘1’의 디지털 정보를 기록한다.

* 오답피하기>  ㄴ. 랜드(편평한 부분)와 피트(홈이 파인부분)로 구성된 CD 표면에 레이저가 입사하여 반사되면 어느 부분에서 반사했느냐에 따라 빛의 세기에 차이가 난다. 빛의 세기가 세면‘1’, 약하면‘0’으로 저장하므로 아날로그 신호는 저장할 수 없다.

ㄷ. DVD는 기록 밀도가 높아 인식하는데 CD보다 더 짧은 파장의 빛이 요구된다. 통상 CD는 780 nm, DVD는 650 nm의 빛을 이용한다.

성취 기준	성취 수준
정보 저장매체의 구조와 원리를 설명 할 수 있다.	중

25 일함수는 광자가 전자를 방출시키는데 필요한 최소의 에너지이다. 또한, 광자와 전자의 충돌은 에너지가 모두 전달되는 탄성 충돌이므로 전자가 방출될 때의 운동 에너지는 광자 1개의 에너지에서 일함수를 뺀 나머지에 해당한다.

[예시 답안] [eqn: E _{k}=hf-W]

성취 기준	성취 수준
광전 효과를 이해하고, 여러 가지 광센서의 구조와 원리를 설명 할 수 있다.	상

26 전자기파는 파장이 짧아질수록(진동수가 커질수록) 에너지가 증가하지만 진공 중에서 진행 속도는 동일하다. 전자기파의 진행 속도는 매질에 따라 달라질 수 있으며(진공 > 기체 >액체 >고체), 동일한 매질 내에서 파장이 짧을수록 느리다.

[예시 답안] A는 자외선, B는 적외선 영역에 해당하며, 진공에서 전자기파의 속력은 파장에 관계없이 동일하다. 그러나 매질 안에서 전자기파의 속력은 파장이 짧을수록 작아진다.

성취 기준	성취 수준
전자기파의 스펙트럼을 알고, 각 파동의 영역별 파장의 크기와 파장별 쓰임새를 설명할 수 있다.	중

27 전반사는 입사각이 임계각보다 큰 경우 일어난다.

[예시 답안] 입사각이 40°인 경우는 전반사가 일어나지 않았고 50°인 경우는 전반사가 일어났다. 따라서 임계각은 40°보다 크고 50°보다는 작다.

성취 기준	성취 수준
전반사 현상을 알고, 광섬유에서 빛신호 전달을 통한 광통신 과정을 설명할 수 있다.	하

28 소리를 파형으로 나타냈을 경우 진동수가 클수록 고음이고 진폭이 클 소록 센 소리(큰 소리)이다.

[예시 답안] 코일은 주파수가 높은 신호에 대하여 큰 저항으로 작용하므로 고주파를 잘 통과시키지 못한다. A는 코일과 병렬로 연결되어 있어 고주파가 입력된 경우 전류는 대부분 A쪽으로 흐른다. B는 코일과 직렬 연결되어 있으므로 고주파가 입력되면 코일이 큰 저항으로 작용하여 전류가 거의 흐르지 않는다. 그러므로 고음용 스피커는 A이다.

성취 기준	성취 수준
저항, 축전기와 코일을 이용하여 전기 신호의 진동수 및 크기를 조절하는 원리를 설명할 수 있다.	상

29 아날로그 신호는 연속적이므로 무한개의 정보로 이루어져 있으며 디지털 신호는 불연속적이므로 유한개의 정보로 이루어져 있다.

[예시 답안] 디지털 신호는 연속적인 아날로그 신호 중 일부를 선택하여 유한개의 정보로 표시한 것이다. 따라서 전송된 디지털 신호를 재생하였을 때 100% 정확하게 아날로그 신호를 표현할 수는 없다. 그러나 컴퓨터를 이용하여 복사, 편집, 전달하기 쉬우므로 널리 이용된다.

성취 기준	성취 수준
정보 저장매체의 구조와 원리를 설명할 수 있다.	중

30 하드 디스크는 전기 신호를 자기 신호 형태로 바꾸어 저장하며 재생할 때는 자기 신호를 전기 신호로 전환한다.

[예시 답안] (가)는 헤드가 지나가지 않은 부분이 자화되지 않았으므로 기록하는 과정이고 (나)는 자기 테이프가 모두 자화되어 있으므로 재생하는 과정이다. (가)는 전류에 의한 자기장이 강자성체 테이프를 자화시키며 앙페르 법칙을 이용하였다. 반면 (나)는 이미 자화된 자기 테이프로 인한 자기장 변화로 인해 전류가 유도되는 패러데이 법칙을 이용하였다. 유도된 전류는 기록된 정보를 영상이나 소리 등으로 재생한다.

성취 기준	성취 수준
정보 저장매체의 구조와 원리를 설명할 수 있다.	중

Ⅳ. 에너지

1 ③	2 ⑤	3 ②	4 ④	5 ③

6 ③	7 ⑤	8 ④	9 ④	10 ②

11 ③	12 ④	13 ③	14 ⑤	15 ④

16 ③	17 ⑤	18 ④	19 ①     20 ②

21 ①     22 ①     23 ⑤     24 ①

25 해설 참조        26 해설 참조     27 해설 참조

28 해설 참조        29 해설 참조     30 해설 참조

1 ㄱ. ㄷ. 발전기는 코일이 자석 속에서 회전할 때 코일을 통과하는 자기 선속이 시간에 따라 변하면서 전자기 유도 법칙에 의해 유도 전류가 발생한다. 이때 역학적 에너지가 전기 에너지로 전환된다.

* 오답피하기>  ㄴ. 코일 내부를 수직으로 통과하는 자기 선속의 방향은 변하지 않지만 크기는 증가와 감소를 반복한다. 따라서 자기 선속이 증가하는 구간과 감소하는 구간에서 전류는 반대 방향으로 유도된다.

성취 기준	성취 수준
패러데이 법칙으로 유도 전류를 이용한 발전과정을 진술할 수 있다.	중

2 ㄱ. 발전은 패러데이 법칙을 이용하여 다른 에너지 형태를 전기 에너지로 바꾸는 과정이다.

ㄴ. 수력 발전은 높은 곳에 있는 물의 퍼텐셜 에너지를 이용한다.

ㄷ. 화력 발전은 화석 연료를 태울 때 발생하는 열에너지로, 원자력 발전은 핵분열 과정에서 발생하는 열에너지로 물을 끓여 고압의 증기를 만든다.

성취 기준	성취 수준
패러데이 법칙으로 유도 전류를 이용한 발전과정을 진술할 수 있다.	하

3 발전소는 송전 전력을 일정하게 유지한다. 송전 전력이란 발전소에서 초당 보내는 전기 에너지의 양을 말하며 전압과 전류의 곱으로 나타낸다. ([eqn: P(전력)=V(전압) TIMES I(전류)])

ㄴ. 송전선에서의 손실 전력은 저항에 의해 발생하는 열에너지 형태가 대부분이다. 송전선을 비롯한 도선에서는 저항이 클수록 많은 열이 발생한다.

* 오답피하기>  ㄱ. 발전소의 송전 전력이 일정하면 전압과 전류는 반비례한다.

ㄷ. 송전 전압을 [eqn: n]배로 높이면 송전선을 흐르는 전류는 [eqn: {1} over {n}]로 감소한다. 손실 전력 [eqn: P`=`VI`=`I ^{2} R]이므로 전류의 제곱에 비례한다. 따라서 손실 전력은 [eqn: {1} over {n ^{2}}]로 감소한다.

성취 기준	성취 수준
전력 수송 과정에서 에너지 손실을 표현하고, 소모되는 전력을 줄이는 방법을 설명할 수 있다.	중

4 ㄴ. 변압기의 1차 코일에 교류 전류가 흐르므로 철심을 통해 변하는 자기장이 2차 코일에 영향을 준다. 따라서 1차 코일에 직류 전원을 연결하면 변압기를 사용할 수 없다.

ㄷ. 에너지는 보존되므로 초당 전달되는 전기 에너지는 동일하다.

* 오답피하기>  ㄱ. [eqn: V_1 I_1 = V_2 I_2] 이므로,

[eqn: V_1 : V_2 = I_2 : I_1 = N_1 : N_2]   이다.

성취 기준	성취 수준
전력 수송 과정에서 에너지 손실을 표현하고, 소모되는 전력을 줄이는 방법을 설명할 수 있다.	중

5 ㄷ. 핵반응 전후에 전하량과 질량수(양성자 수와 중성자 수의 합)는 각각 보존된다.

* 오답피하기>  ㄱ. ㄴ. 핵반응은 크게 핵분열과 핵융합이 있다. 핵이 분열하거나 융합하므로 물질의 종류는 달라지고, 아인슈타인의 에너지-질량 등가 원리에 의해 에너지는 질량과 동등하므로 핵반응에서의 에너지 방출은 그만큼의 질량 결손을 동반한다.

성취 기준	성취 수준
핵이 분열할 때와 융합할 때 질량의 변화로 에너지가 발생함을 설명할 수 있다.	하

6 이 과정은 고속의 중성자를 그대로 사용하는 고속 증식로에서 원료로 사용하는 플루토늄을 우라늄을 통해 얻는 방법을 보여준다.

ㄱ. 첫 번째 반응식에서 β입자(전자)가 방출되었으므로 우라늄 239에서 양성자수는 1만큼 늘어난다. 그러나 중성자 1만큼 줄었기 때문에 질량수는 같다.

ㄴ. 양성자가 1만큼 증가하였으므로 [eqn: rm X]의 양성자수는 93이다.

* 오답피하기>  ㄷ. 양성자수가 93에서 94로 증가하였으므로 두 번째 반응식 역시 베타 붕괴로 전자가 방출된다.

성취 기준	성취 수준
원자로의 종류와 작동 원리를 설명할 수 있다.	중

7 ㄱ. 수소 핵융합은 중수소와 삼중수소가 융합하여 헬륨 원자핵을 만든다. 이 과정에서 중성자(㉠)가 방출된다.

ㄴ. 핵분열 과정은 우라늄 235가 중성자를 흡수하여 크롬과 바륨 원자핵으로 분열하고 3개의 중성자를 방출하는 모습을 나타낸 것이다. 이때 방출된 중성자들은 다른 우라늄 원자핵에 흡수되어 연쇄 반응이 일어나도록 한다.

ㄷ. 방출된 에너지가 핵분열에서 더 크므로 질량 결손량은 핵분열에서 더 크다. 그러나 핵자당 방출된 에너지는 핵융합에서 더 크다.

성취 기준	성취 수준
핵이 분열할 때와 융합할 때 질량의 변화로 에너지가 발생함을 설명할 수 있다.	중

8 ㄴ. 경수로와 중수로는 감속재로 각각 경수([eqn: rm H _{2} O])와 중수([eqn: rm D _{2} O])를 사용한다. 감속재는 중성자의 흡수를 돕기 위해 중성자의 속력을 감소시키는 역할을 한다.

ㄷ. 핵분열시 질량 결손에 의해 발생한 열에너지에 의해 증기를 발생시키고, 이때 발생한 증기로 터빈을 돌려 발전을 한다.

* 오답피하기>  ㄱ. 경수로는 저농축 우라늄을, 중수로는 천연 우라늄을 원료로 사용한다. 고속 증식로는 감속재를 사용하지 않는 방식으로 우라늄 238에 중성자를 흡수시켜 만든 플루토늄 239를 원료로 사용한다.

성취 기준	성취 수준
원자로의 종류와 작동 원리를 설명할 수 있다.	중

9 ㄱ. n형 반도체와 p형 반도체를 접합시키면 n형의 전자가 p형 쪽으로 확산하여 p-n 접합부에 전기장이 형성된다. 접합부의 p형 반도체에 과잉 전자가 생겼으므로 (-)전하를 띠고 n형 반도체는 (+)전하를 띤다. 따라서 전기장의 방향은 n형 반도체에서 p형 반도체 방향이다.

* 오답피하기> ㄴ. 태양 전지에 빛을 쪼이면 p-n 접합면에 형성된 전기장에 의해 전자는 n형 반도체, 양공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다.

ㄷ. 전자가 n형 반도체에서 외부 회로를 통해 p형 반도체로 이동하므로 전류의 방향은 A방향이다.

성취 기준	성취 수준
반도체 소자를 이용한 태양 전지의 원리를 정성적으로 설명 할 수 있다..	중

10 ㄷ. 연료 전지는 연료의 산화에 의한 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하므로 에너지 효율이 높다.

* 오답피하기> ㄱ. 전지의 음극에 주입한 수소가 이온화되며 전자를 내놓는다. 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 이동하고, 수소 이온은 중간의 전해질을 통해 양극으로 이동한다.

ㄴ. 음(-)극에서는 수소의 이온화(산화) 반응이, 양(+)극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다.

성취 기준	성취 수준
연료 전지, 태양광, 풍력, 조력 등 전기 에너지의 생산 방법과 이용을 설명할 수 있다.	중

11 ㄱ, ㄴ. (가)~(라)는 순서대로 수력 발전, 태양열 발전, 태양광 발전, 풍력 발전을 나타낸다. 수력 발전은 물의 낙차를 이용하여 터빈을 돌리는 방식이다. 떨어진 물은 없어지는 것이 아니라 태양 에너지에 의해 다시 증발하여 위치 에너지가 증가하므로 재생 에너지이다.

* 오답피하기> ㄷ.태양광 발전은 태양 전지를 이용한 것으로 터빈을 돌리는 과정 없이 태양 빛에너지가 바로 전기 에너지로 전환된다.

성취 기준	성취 수준
연료 전지, 태양광, 풍력, 조력 등 전기 에너지의 생산 방법과 이용을 설명할 수 있다.	하

12 ㄴ, ㄷ. 돌림힘은 회전축으로부터의 거리와 작용한 힘의 곱으로 정의한다. 따라서 p지점에 발생한 돌림힘은 시계 반대 방향으로 0.3 m ×10 N = 3 N·m이고, q지점에 발생한 돌림힘은 시계 방향으로 0.6 m ×10 N = 6 N·m이다. 따라서 문에 작용한 알짜 돌림힘의 크기는 3 N·m이다.

* 오답피하기> ㄱ. 그림의 문에 작용하는 두 힘의 크기는 같고 방향은 반대이다. 그러나 작용점이 일치하지 않으므로 돌림힘이 발생하여 문은 시계 방향으로 회전한다.

성취 기준	성취 수준
돌림힘을 정의하고, 지레의 원리를 응용한 힘의 전달을 설명할 수 있다.	하

13 ㄱ, ㄴ. 역학적 평형 상태란 힘의 평형과 돌림힘의 평형, 두 가지 조건을 모두 만족하여 물체가 움직이지 않는 상태를 말한다. 그림의 야구방망이는 막대 위에서 역학적 평형 상태를 유지하고 있다.

* 오답피하기> ㄷ. 야구 방망이의 무게 중심은 막대를 기준으로 한 연장선상 위에 있으므로 막대를 왼쪽으로 이동하면 무게 중심은 막대의 오른쪽에 위치하게 된다. 야구 방망이의 무게 중심이 받침면 위를 벗어나면 야구 방망이는 시계 방향으로 회전한다.

성취 기준	성취 수준
힘과 돌림힘의 평형을 이용하여 구조물의 안정성을 정량적으로 계산할 수 있다.	중

14 ㄱ, ㄴ. 그림의 물체들은 역학적 평형 조건에 의해 다음을 만족해야 한다.

① 손이 줄을 당기는 힘 = 막대의 무게+추의 무게+물체의 무게

② 시계 방향 돌림힘의 합 = 반시계 방향 돌림힘의 합

두 가지 조건에 대한 방정식을 세우고 푼다.

ㄷ. 위 조건의 ②에 의해 물체의 무게를 [eqn: w]라 하면, [eqn: 0.1w=0.1 TIMES 10+0.2 TIMES 5]에서 [eqn: w]=20 N이므로 질량은 2 kg이다.

성취 기준	성취 수준
힘과 돌림힘의 평형을 이용하여 구조물의 안정성을 정량적으로 계산할 수 있다.	상

15 돌림힘은 회전 반지름과 수직 성분의 힘에만 관련이 있다. (가)와 (나)에서 모두 막대는 정지해 있으므로 돌림힘의 평형 상태이다. 이때, (가)와 (나)에서 각각 [eqn: F _{1}], [eqn: F _{2}]에 의한 돌림힘은 추의 무게에 의한 돌림힘과 같다. 그러나 (나)에서는 추의 무게가 작용하는 방향이 막대와 수직이 아니므로 추의 무게 중 막대와 수직인 성분만이 돌림힘으로 작용한다. 추의 무게를 [eqn: w]라 하면,  [eqn: F _{1}]: [eqn: F _{2}] =[eqn: w] : [eqn: w{rmcos}30 DEG]= 2 : [eqn: sqrt {3}] 이다.

성취 기준	성취 수준
힘과 돌림힘의 평형을 이용하여 구조물의 안정성을 정량적으로 계산할 수 있다.	중

16 ㄱ. 유체 내에서의 부력은 압력의 차이에서 기인한다. 그림에서 수심이 깊어질수록 압력이 증가하므로 물체의 아랫면에 작용하는 압력이 윗면에 작용하는 압력보다 크고 그 차이가 부력으로 작용한다. 따라서 A에 작용하는 부력의 크기는 [eqn: rm 10^5~ N]이다.

ㄷ. 밀도는 단위 부피당 질량으로 A와 B가 같다.

* 오답피하기>  ㄴ. A와 B에 작용하는 부력의 크기는 같다. 이때 두 물체는 모두 부력과 무게가 평형을 이루며, 유체 내에서 정지하고 있으므로 무게도 같다.

성취 기준	성취 수준
유체에서 아르키메데스 법칙과 파스칼 법칙을 실생활과 산업에 적용하여 설명할 수 있다.	중

17 ㄱ, ㄴ. (가)에서 얼음은 정지해 있으므로 얼음의 무게와 부력의 크기는 같다. 이때 얼음과 물의 밀도의 비가 9 : 10이므로 얼음과 얼음이 잠긴 부분의 부피의 비는 10 : 9이다. 따라서 잠긴 부분의 얼음의 부피는 [eqn: 9V]이고, 얼음의 부피는 [eqn: V+9V=10V]이다.

ㄷ. (나)에서 곰의 무게로 인해 수면 위 얼음의 부피가 [eqn: 0.3V]만큼 감소하였으므로 잠긴 부분은 [eqn: 0.3V]만큼 증가하였고 부력은 [eqn: 0.3 rho gV]만큼 증가하였다. 곰의 질량을 [eqn: m]이라 하면 곰의 무게만큼 부력이 증가하였으므로, [eqn: mg`=0.3 rho gV]에서 [eqn: m=0.3rho V]이다.

성취 기준	성취 수준
유체에서 아르키메데스 법칙과 파스칼 법칙을 실생활과 산업에 적용하여 설명할 수 있다.	상

18 ㄱ, ㄴ. 파스칼의 원리는 밀폐된 용기에 담긴 비압축성 유체에 가해진 압력은 유체의 모든 부분과 유체를 담은 용기의 벽까지 그 세기가 일정하게 전달된다는 법칙이다. 따라서 그림의 [eqn: P _{1}]과 [eqn: P _{2}]는 같다. 압력은 단위 면적당 작용하는 힘이므로 압력이 작용하는 면적이 넓어질수록 큰 힘을 낼 수 있다.

ㄷ. [eqn: A_1]을 작게 하고, [eqn: A_2]를 크게 하면 힘 [eqn: F_2]가 작용한 거리가 짧아진다. 즉, 힘의 크기가 커지면 이동 거리가 짧아지므로 두 피스톤이 한 일의 양은 같다.

성취 기준	성취 수준
유체에서 아르키메데스 법칙과 파스칼 법칙을 실생활과 산업에 적용하여 설명할 수 있다.	중

19 ㄱ. [eqn: A_1]과 [eqn: A_2]를 통과한 유체의 부피가 같으므로, [eqn: A_1 x_1 = A_2 x_2]이다.

* 오답피하기>  ㄴ. 연속 방정식에 의해 관의 단면적과 유체의 속력은 반비례한다. 따라서 [eqn: v_1]은 [eqn: v_2]보다 크다.

ㄷ. 베르누이 정리에 의해

[eqn: P _{2} -P _{1} = {1} over {2} rho v _{1} ^{2} - {1} over {2} rho v _{2} ^{2}] 이다. 이것은 고압 부분과 저압 부분의 압력차인 [eqn: P _{2} -P _{1}]이 한 일은 유체의 운동 에너지 변화량인 [eqn: {1} over {2} rho v _{1} ^{2} - {1} over {2} rho v _{2} ^{2}]과 같다는 의미로 해석할 수 있으며 이는 일-에너지 정리가 유체에서도 성립함을 보여준다.

성취 기준	성취 수준
베르누이 법칙을 이용하여 양력과 마그누스 힘을 항공기과 구기 운동에 적용하여 설명할 수 있다.	상

20 관이 단면적이 일정하므로 유체의 속력은 일정하다.

따라서 베르누이 식에 의해 [eqn: P _{B} + rho gh _{B} =P _{C} + rho gh _{C}]이므로

[eqn: P _{B} -P _{C} = rho g(h _{C} -h _{B} )=3 rho gh``=3P _{0}]이다.

성취 기준	성취 수준
베르누이 법칙을 이용하여 양력과 마그누스 힘을 항공기과 구기 운동에 적용하여 설명할 수 있다.	중

21 ㄱ. (나)에서 곡면을 통과하는 공기의 유속이 더 빠르다. 즉, 공기의 유속은 b에서가 a에서보다 빠르다.

* 오답피하기>  ㄴ, ㄷ. 베르누이 법칙에 의해 속력이 증가하면 압력이 낮아진다. 따라서 (나)의 경우 [eqn: P _{a}]는 [eqn: P _{b}]보다 크기 때문에 위에서 아래로 누르는 방향의 양력이 생겨 저울의 눈금이 증가한다.

성취 기준	성취 수준
베르누이 법칙을 이용하여 양력과 마그누스 힘을 항공기과 구기 운동에 적용하여 설명할 수 있다.	하

22 ㄱ. 열역학 제1법칙에 의해 출입한 열량은 내부 에너지 변화량과 기체가 한 일의 합과 같다. 이는 기체에서의 에너지 보존 법칙에 해당한다. 문제에 주어진 경우 열의 출입은 없고 기체의 부피가 증가하여 외부에 일을 하였다.

* 오답피하기>  ㄴ, ㄷ. 외부와의 열의 출입이 차단된 상태로 기체의 부피가 팽창하는 단열 과정에서 [eqn: Q`= TRIANGLE U`+`W`=0]이므로 기체가 한 일만큼 내부 에너지는 감소한다. 온도는 감소하고 부피는 증가하였으므로 압력은 감소한다.

성취 기준	성취 수준
열역학 법칙을 이용하여 열기관의 작동 원리를 설명할 수 있고 열효율의 크기를 표현할 수 있다.	중

23 ㄷ. C → A 과정에서 기체의 온도는 감소하였고 외부로부터 일을 받았다. 따라서 기체는 열을 방출하였다.

ㄹ. [eqn: Q`= TRIANGLE U`+`W`]에서 [eqn: Q]는 기체가 흡수한 열량이며, P-V 그래프에서 그래프 아래의 면적은 기체가 한 일의 양으로 [eqn: P _0 V _{0}}]이다.

* 오답피하기>  ㄱ. A→ B 과정에서 흡수한 열량이 [eqn: Q]이다. 그러나 기체는 일을 하지 않았으므로 내부 에너지 증가량은 [eqn: Q]이다.

ㄴ. B → C 과정에서 기체가 한 일은 [eqn: 4P _{0} V _{0}]이다. 따라서 흡수한 열량은 [eqn: Q]보다 크다.

성취 기준	성취 수준
열역학 법칙을 이용하여 열기관의 작동 원리를 설명할 수 있고 열효율의 크기를 표현할 수 있다.	중

24 (가)는 부피가 일정한 정적 과정이며, (나)는 압력이 일정한 정압 과정이다.

ㄱ. (가)에서 부피가 일정하므로 기체는 일을 하지 않았다. 그러므로 흡수한 열량은 모두 내부 에너지를 증가시키는 데 쓰였다.

* 오답피하기>  ㄴ. (나)에서 기체의 부피가 증가하였는데 압력은 일정하므로 기체의 온도는 증가하였고 따라서 내부 에너지도 증가한다. 따라서 기체가 흡수한 열량은 일과 내부 에너지 증가에 모두 쓰였다.

ㄷ. 정적 비열은 정압 비열보다 작다. 부피가 일정하면 흡수한 열량이 모두 내부 에너지를 증가시키는 데 쓰이기 때문이다.

성취 기준	성취 수준
열역학 법칙을 이용하여 열기관의 작동 원리를 설명할 수 있고 열효율의 크기를 표현할 수 있다.	상

25 [eqn: P _{손실} =I ^{2} R=( {P _{송전}} over {V _{송전}} ) ^{2} R]이다. 따라서 발전소의 송전 전압을 [eqn: n]배 높이면 손실 전력은 [eqn: {1} over {n ^{2}}]로 감소한다. 그러나 이러한 관계는 한 발전소에서의 승압에 따른 손실 전력의 변화를 나타낸 것이다. 따라서 표에 주어진 수력 발전과 화력 발전의 손실 전력이 4배 차이가 난다고 해서 송전 전압이 2배 차이가 난다고 판단하는 것은 잘못이다.

[예시 답안] B가 A보다 손실 전력이 4배 크므로 송전선에 흐르는 전류는 B가 A보다 2배 크다([eqn: P _{손실} `=I ^{2} R]). 또한, 송전 전력이 B가 A보다 10배 크므로 송전 전압은 B가 A보다 5배 크다([eqn: P _{송전} =V _{송전} I]). 그러므로 전류의 비는 A : B =1 : 2, 송전 전압의 비는 A : B = 1 : 5이다.

성취 기준	성취 수준
전력 수송 과정에서 에너지 손실을 표현하고, 소모 되는 전력을 줄이는 방법을 설명할 수 있다.	중

26 철수와 영희의 팔이 움직이지 않고 있으므로 두 사람이 가한 돌림힘의 크기는 같다.

[예시 답안] 팔이 움직이지 않으므로 두 사람이 가한 돌림힘의 크기는 같다. 그러나 회전축까지의 거리가 영희는 35 cm이고, 철수는 25 cm이다. 돌림힘은 회전축까지의 거리와 작용시킨 힘의 곱이므로 두 사람이 작용시킨 힘의 크기는 회전축까지의 거리에 반비례한다. 따라서 힘의 비는 영희 : 철수 = 5 : 7이므로 영희가 유리하다.

성취 기준	성취 수준
돌림힘을 정의하고, 지레의 원리를 응용한 힘의 전달을 설명할 수 있다.	중

27 유체 내에서의 부력은 물체의 윗면과 아랫면에 작용하는 압력의 차이에서 기인한다.

[예시 답안] (1) 직육면체의 옆면에 작용하는 압력은 평형을 이룬다. 그러나 아랫면에 작용하는 압력이 더 크므로 수직 방향으로는 위쪽 방향의 알짜힘이 생기는데 이를 부력이라 한다. 부력을 [eqn: F]라 하면,

[eqn: F`=`F _{2} -F _{1} =P _{2} A-P _{1} A=A( rho g(h+d)- rho gd)=A rho gh]

이다. 이때 [eqn: Ah=V]이므로 [eqn: F= rho Vg]이다.

(2) 물체가 물속에 정지해 있으므로 물체의 무게는 부력의 크기와 같다. 따라서 [eqn: mg= rho Vg```,`m= rho V]이므로 물체의 무게는 같은 부피의 물의 무게와 같다. 이는 물체와 물의 밀도가 같음을 의미한다.

성취 기준	성취 수준
유체에서 아르키메데스 법칙과 파스칼 법칙을 실생활과 산업에 적용하여 설명할 수 있다.	중

28 유체가 정지해 있는 관에서는 유체의 운동 에너지가 0이므로 압력과 중력 퍼텐셜 에너지의 합이 일정해야 한다. 깊이가 깊어질수록 중력 퍼텐셜 에너지는 작아지므로 압력은 커진다.

[예시 답안] 액체 표면을 기준선으로 잡고 A 지점과 B 지점의 액체 표면으로부터의 깊이를 각각 [eqn: h _{rm A` it} ,``h _{rm B it}]로 하자. 이때 액체는 정지해 있으므로 운동 에너지 합을 0으로 하면,

[eqn: P _{A} - rho gh _{A} =P _{B} - rho gh _{B}]가 성립한다. [eqn: h _{rmB} >h _{rmA}]이므로

[eqn: P _{rm B it}]가 [eqn: P _{rm A it}]보다 크다. 이 결과는 깊이가 깊어질수록 압력은 커짐을 보여준다.

성취 기준	성취 수준
베르누이 법칙을 이용하여 양력과 마그누스 힘을 항공기과 구기 운동에 적용하여 설명할 수 있다.	상

29 봉지가 부풀어 올랐으므로 봉지 내부의 기체는 외부에 일을 하였다.

[예시 답안] 봉지의 부피가 증가하면서 압력은 일정하였으므로 등압 과정에 해당된다. 따라서 기체의 내부 에너지는 증가하였고, 내부 에너지는 기체의 수와 온도에 비례하므로 기체의 온도는 증가한다.

압력(P )

·

·

[빵 봉지 내부 기체의 P -V 그래프]

[eqn: V_{ 1}]

[eqn: V_{ 2}]

[eqn: P]

부피(V )

0

성취 기준	성취 수준
열역학 법칙을 이용하여 열기관의 작동 원리를 설명할 수 있고 열효율의 크기를 표현할 수 있다.	중

30 소비 전력 [eqn: P=V(전압) TIMES I(전류)]이다. 소비 전력이란 초당 발생하는 전기 에너지를 의미한다. 따라서 단위는 [eqn: rmJ/s]와 같은 의미인 [eqn: rm W](와트)를 사용한다.

[예시 답안] 정격 전압에 연결하였으므로 400(W)=200(V)×I 에 의해, 흐르는 전류의 세기는 2 A이다. 또한, 전력량은 400(W)×0.25(h)=100 Wh이다.

성취 기준	성취 수준
전동기, 조명 기구, 전열기 등의 작동 원리를 설명할 수 있다.	중