물리Ⅰ 학교 시험 출제 대비 문제은행

바른답 ․ 알찬풀이

교사전용 문제은행

물리Ⅰ  학교 시험 출제 대비 문제은행               바른답 ․ 알찬풀이

물리Ⅰ  학교 시험 출제 대비 문제은행               바른답 ․ 알찬풀이

Ⅰ. 시공간과 우주

1 ④	2 ⑤	3 ①	4 ⑤	5 ④

6 ④	7 ①	8 ③	9 ①	10 ④

11 ⑤	12 ⑤	13 ⑤	14 ①	15 ③

16 ①	17 ①	18 ⑤	19 ②     20 ④

21 ①     22 ③     23 ②     24 ②

25 (1) [eqn: {1} over {3}g] (2) [eqn: { 4} over { 3}mg]       26 해설 참조

27 8 : 5         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 ㄱ. 위치-시간 그래프에서 B는 4  m인 지점에서 1  m인 지점으로 이동했다가 다시 8 m인 지점으로 이동하므로, 이동한 거리는 3 m + 7 m = 10  m 가 된다.

ㄴ. 위치-시간 그래프에서 직선의 기울기 또는 접선의 기울기는 물체의 순간 속도이다. 기울기가 클수록 속도의 크기도 크다. 따라서 6초인 순간 A가 B보다 크다.

ㄷ. 두 물체의 어느 시점에서 그래프의 수직 거리의 차이는 두 물체가 떨어져 있는 거리가 된다. 따라서 3초일 때 가장 멀리 떨어져 있으며, 두 물체 사이의 거리는 3 m 이다.

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

3 ㄱ. 속도 -시간 그래프에서 그래프 아랫부분의 넓이(속도[eqn: TIMES]시간)는 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 이동한 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 속력을 [eqn: v]라고 하면,  [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 [eqn: a]일 때 [eqn: t]초 후 A의 속력 [eqn: v _{rmA} =3at], B의 속력 [eqn: v_{rmB} = at]이다. [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 A는 5초 동안 [eqn: rm10~m/s TIMES 5~s=50~m] 이동한다. B가 5초일 때 A보다 30 m 앞서 있으므로 5초 동안 B의 이동 거리는 [eqn: rm 20~m+50~m+30~m=100~m]이다. 처음 속도가 0이고 B의 가속도를 [eqn: a]라고 할 때 5초 동안 이동 거리 [eqn: {rm100~m}= {1} over {2} TIMES a TIMES (rm5~s)^2]이므로 [eqn: a= rm 8``m/s ^{2}]이다.

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

7 A의 가속도의 크기를 [eqn: a]라고 하면 경사면에서 이동한 거리 [eqn: 2S= {1} over {2} aT ^{2}]이고, Q에서의 속력 [eqn: v=aT]이다. Q에서 R까지 이동하는 데 걸린 시간을 [eqn: t]라고 하면 [eqn: S=vt]에서 [eqn: t= {S} over {v} = {aT ^{2}} over {4aT} = {1} over {4} T] 이다.

성취 기준	성취 수준
속도, 가속도의 개념을 진술할 수 있다.	하

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 운동에서 뉴턴의 운동 법칙이 적용됨을 인식할 수 있다.	하

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 ㄴ. B의 무게는 지구가 B를 당기는 힘이다. 따라서 B의 무게의 반작용은 B가 지구를 당기는 힘이 된다.

ㄷ. A에 작용하는 힘은 (A의 무게)=(줄이 A를 당기는 힘)+(지면이 A를 떠받치는 힘)이다. 따라서 줄이 A를 당기는 힘은 A의 무게보다 작다.

* 오답피하기> ㄱ. A는 가만히 정지해 있으므로 알짜힘은 0이다.

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, ㄴ. 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 ㄱ. A, B는 2초 후에 충돌한다. 충돌하는 지점은 A가 6 m 이동한 지점이며, 따라서 B는 2초 동안 2 m 이동한다. 즉 충돌 직전 B의 속력은 1 m/s이다.

ㄴ. 충돌할 때 A가 B에 작용한 힘은 B가 A에 작용한 힘과 작용·반작용 관계이므로 두 힘의 크기는 서로 같고 방향은 서로 반대이다.

ㄷ. 충돌할 때 B가 받은 충격량의 크기는 A가 받은 충격량의 크기와 같으며, A의 운동량의 변화량의 크기와 같다. A의 운동량의 변화는 [eqn: {3} over {2} TIMES 120-3 TIMES 120=-180](kg·m/s)이므로 B가 받은 충격량의 크기는 180 kg·m/s이다.

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 2배이고 같은 크기의 힘이 작용했으므로 가속도의 크기는 B가 A의 2배이고, [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 ㄱ. 두 물체 A와 B를 같은 높이에서 가만히 낙하시켰으므로 A, B의 역학적 에너지는 같다.

* 오답피하기> ㄴ, ㄷ. 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. 힘-이동 거리 그래프에서 그래프 아랫부분의 넓이는 외력이 한 일의 양을 의미한다. 따라서 6 m를 이동하는 동안 힘이 물체에 한 일은 [eqn: F×s =rm 6~N ×6~m = 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}~rmm/s]이다.

ㄷ. 물리적인 일의 정의에 의해 외력의 방향과 물체의 이동 방향이 반대인 경우 음의 일로 취급한다. 따라서 10 m에서 14 m 이동하는 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 ㄱ.  물체에 작용하는 중력의 방향은 물체가 이동하는 방향과 수직이므로, 물체에 중력이 한 일은 0이다.

ㄴ. [eqn: F] 가 물체에 한 일은 힘과 이동 거리의 곱이다. 따라서 [eqn: W=FS]이다.

ㄷ. 물체에 한 일은 물체의 운동 에너지의 증가량과 같다. 즉 [eqn: FS= {1} over {2} mv ^{2}]이므로, [eqn: v= sqrt {{2FS} over {m}}]이다.

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

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/s)이다.

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.

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

* 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.

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

21 ㄱ. A와 B는 같은 방향 같은 속력으로 운동하고 있으므로 A에서 관측했을 때 B는 정지해 있다. C의 속력은 0.6[eqn: c]보다는 크고 [eqn: c]보다는 작은 속력으로 관측된다. 따라서 A가 관측한 C의 길이는 고유 길이 [eqn: L _{0}]보다 짧다.

* 오답피하기> ㄴ. A와 C는 서로 반대 방향으로 0.6[eqn: c]의 속력으로 운동하지만, A가 C를 관측할 때 0.6[eqn: c]+0.6[eqn: c]=1.2[eqn: c]의 뉴턴-갈릴레이의 상대 속도 공식이 적용되지 않는다. 모든 관측자에게 빛의 속력은 항상 [eqn: c]로 관측된다(광속 불변의 원리).

ㄷ. A가 관측했을 때 B는 정지해 있고 C는 운동하고 있으므로, B의 시간은 A와 동일하게 흐르고 C에서는 A, B에서보다 시간이 느리게 흐른다.

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

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

* 오답피하기> ㄱ, ㄴ. 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

23 ㄷ. 전자는 렙톤이다.

* 오답피하기> ㄱ. 전자는 기본 입자 중 하나이고, 쿼크는 양성자, 중성자 등의 핵자를 구성하는 입자이다.

ㄴ. 글루온은 핵자 또는 쿼크들을 강하게 결합시켜 원자핵을 구성하게 하는 강한 상호 작용의 매개 입자이다. 중성자가 양성자로 붕괴될 때 관여하는 힘은 약한 상호 작용이며, 매개 입자는 W, Z보손이다.

성취 기준	성취 수준
상대성 이론을 바탕으로 현대의 우주 모형을 정성적으로 설명할 수 있다.	중

24 ㄴ. B는 양성자, 중성자를 비롯한 핵자보다 작은 입자들을 총칭하며, 렙톤이라고 한다.

* 오답피하기>  ㄱ. A는 힘을 매개하는 입자들이다.

ㄷ. 힘을 매개하는 입자에는 글루온(강한 상호 작용), 광자(전자기력), W, Z보손(약한 상호 작용)이 있다.

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

25 (1) 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.

(2) A에 작용하는 알짜힘은 운동 방향으로 [eqn: {1} over {3} mg]이므로 장력 [eqn: T= {4} over {3} mg]이다.

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

26 시간-속력 그래프에서 그래프 아랫부분의 넓이는 이동 거리를 의미한다.

[예시 답안]

(1) 자이로드롭에 작용하는 힘은 [eqn: F-mg=m {v} over {2t}]이고, [eqn: g= {v} over {3t}]이므로 [eqn: F=m {v} over {3t} +m {v} over {2t} = {5} over {6} {mv} over {t} = {5} over {2} mg]가 된다. 따라서 [eqn: F]의 크기는 자이로드롭의 무게의 [eqn: {5} over {2}]배이다.

(2) 그래프와 시간축이 둘러싼 면적은 이동 거리이므로 [eqn: h= {1} over {2} TIMES v TIMES 2t=vt]이고 [eqn: H= {1} over {2} TIMES v TIMES 5t= {5} over {2} vt]이다. 따라서 [eqn: H]는 [eqn: h]의 [eqn: {5} over {2}]배이다.

채점 기준	배점(%)
F 와 자이로드롭의 무게, H 와 h 를 모두 옳게 비교한 경우	100
F 와 자이로드롭의 무게만 옳게 비교한 경우	50

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

27 전동기가 두 물체에 한 일이 두 물체의 역학적 에너지의 변화량의 합이다. (가)에서 2 m 이동하였을 때 두 물체의 속력을 [eqn: v _{{1}}]이라 하면, 전동기가 한 일은 [eqn: 100` rm N TIMES 2`m=200`J]이므로 (A의 운동 에너지 증가량) + (B의 운동 에너지 증가량) + (B의 위치 에너지 증가량) = 200 J이다.

따라서 [eqn: {1} over {2} TIMES 5 TIMES v _{1} ^{2} +2 TIMES 10 TIMES 2= {5} over {2} v _{1} ^{2} +40=200]에서 [eqn: v_{1}^{2}=64]이다. (나)에서 (A와 B의 운동 에너지 증가량)+(A와 B의 위치 에너지 증가량) = 200 J이다. 속력을 [eqn: v_2}]라고 하면, [eqn: {1} over {2} TIMES 5 TIMES v _{2} ^{2} +5 TIMES 10 TIMES 2= {5} over {2} v _{2} ^{2} +100]=200이므로 [eqn: v _{2} ^{2} =40]이다. 운동 에너지는 속력의 제곱에 비례하므로, [eqn: E _{1} :E _{2} =64:40=8:5]가 된다.

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

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.

채점 기준	배점(%)
뉴턴 만유인력 법칙으로 케플러 제3법칙을 옳게 유도한 경우	100
그 외의 경우	0

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.

채점 기준	배점(%)
두 사건의 동시성을 철수와 영희의 관점에서 각각 옳게 서술한 경우	100
두 사건의 동시성을 철수의 관점에서만 옳게 서술한 경우	50

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. 즉 등가 원리에 의해 가속계에서 관성력과 중력의 효과가 동일하다는 것이다. 따라서 가속되는 계의 내부에서는 직진하는 빛이 휘어지는 것으로 관측되므로 중력장에서도 같은 현상이 나타난다. 이렇게 모든 가속게엇 같은 물리 법칙이 성립한다는 상대성 원리와 등가 원리를 일반 상대성 이론이라고 한다.

[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.

채점 기준	배점(%)
일반 상대성 이론에 의해 중력은 힘이 아니고 질량이 있는 물체 주변 공간의 휘어짐이라고 옳게 서술한 경우	100
뉴턴 역학의 중력과 일반 상대성 이론의 중력이 다르다고만 서술한 경우	30

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 ⑤	4 ①	5 ③

6 ②	7 ②	8 ④	9 ①	10 ⑤

11 ③	12 ④	13 ④	14 ④	15 ④

16 ①	17 ⑤	18 ①	19 ①     20 ③

21 ④     22 ②     23 ⑤     24 ④

25 해설 참조      26 B의 전하: (+)전하, 전하량: A >B  27 해설 참조      28 해설 참조    29 A: 4개, B: 5개, C: 4개, D: 3개    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. 같은 종류의 전하 사이에는 서로 미는 전기력이 작용한다. A, B는 모두 (+)전하이기 때문에 서로 미는 전기력이 작용한다.

ㄴ. A는 정지해 있으므로 알짜힘은 0이다. A에 작용하는 힘은 (A의 무게)+(P가 A를 당기는 힘)=(S가 A를 당기는 힘)+(B가 A를 미는 전기력)이다. 한편 B에 작용하는 알짜힘도 0이고, B에 작용하는 힘은 (B의 무게)+(A가 B를 미는 전기력)=(P가 B를 당기는 힘)이다. 따라서 P가 A를 당기는 힘의 크기는 [eqn: mg]+(A가 B를 미는 전기력)이고 S가 A를 당기는 힘은 [eqn: mg]+{[eqn: mg]+(A가 B를 미는 전기력)}-(B가 A를 미는 전기력)=[eqn: 2mg]가 된다.

ㄷ. P가 A를 당기는 힘의 크기는 [eqn: mg]+(A가 B를 미는 전기력)이므로 [eqn: mg]보다 크다.

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

4 ㄱ. A, B의 전하량을 각각 Q′, Q, B와 b점 사이 거리를 [eqn: r]이라고 하면 b에서 전기장은 0이므로 [eqn: {kQ'} over {4r ^{2}} = {kQ} over {r ^{2}}]이다. 따라서 [eqn: Q'=4Q], 즉 A의 전하량이 B의 4배가 된다. c에서 A, B에 의한 전기장의 세기는 각각 [eqn: {4kQ} over {9r ^{2}}], [eqn: {kQ} over {4r ^{2}}]이므로 전기장의 세기는 A가 B보다 크다. c에서 전기장 방향은 [eqn: +x]방향이므로, A는 (+)전하이다.

* 오답피하기>  ㄴ. A의 전하량은 B의 4배이다.

ㄷ. a에서 전기장의 세기는 [eqn: {4kQ} over {r ^{2}} - {kQ} over {4r ^{2}} = {15kQ} over {4r ^{2}}]이고 [eqn: -x]방향이다. 따라서 a에 (-)전하를 놓으면 [eqn: +x]방향으로 전기력을 받는다.

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 수는 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 저항의 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 ㄷ. (나)에서 자석의 N극이 멀어질 때 원형 도선의 윗부분은 S극을 띠게 되므로 강자성 막대와 원형 도선 사이에는 인력이 작용한다.

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

ㄴ. (나)에서 원형 도선의 윗부분이 S극이 띠도록 ⓐ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. 이를 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.	상

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

ㄷ. 외력을 가해 알루미늄 막대를 당겼음에도 불구하고 알루미늄 막대의 운동 에너지는 전혀 증가하지 않았으므로 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 방향인 P → R → Q 방향으로 유도 전류가 흐른다.

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

15 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 양자화되어 있다는 강력한 증거이다.

* 오답피하기> ㄱ. 백열전구의 스펙트럼은 연속 스펙트럼이다.

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

16 ㄴ. 원자가 빛을 흡수하면 전자는 더 높은 에너지 준위로 전이한다. (나)가 (가)보다 에너지 준위가 높다. 따라서 (가) 상태에서 (나) 상태로 전이할 때 빛을 흡수한다.

* 오답피하기> ㄱ. 전자가 [eqn: n=1]인 바닥상태이다.

ㄷ. [eqn: E_{1}]일 때가 [eqn: E_2}]일 때보다 에너지 준위가 높다.

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

17 ㄱ. [eqn: DELTA E=hf]이므로 전자가 전이할 때 에너지 준위 차이는 방출하거나 흡수하는 빛의 진동수에 비례한다. 전이할 때 에너지 준위 차이는 [eqn: f_{1}]일 때가 [eqn: f_{2}]일 때보다 작다.

ㄴ. [eqn: n=2]에 있는 전자는 [eqn: (E_{3}-E_{2})]인 에너지를 흡수하면 [eqn: n=3]으로 전이한다. [eqn: E _{3} -E _{1} =hf _{2}], [eqn: E _{2} -E _{1} =hf _{1}]이므로 [eqn: E _{3} -E _{2} =hf _{2} -hf _{1}]이다. 즉 [eqn: h(f _{2} -f _{1} )]인 에너지를 흡수하면 전이한다.

ㄷ. [eqn: DELTA E=hf]에서 [eqn: n=1]에서 [eqn: n=3]까지 에너지 준위 차이는 [eqn: hf_{2}]와 같다. 따라서 [eqn: hf_{2}]의 에너지를 흡수하면 전자는 전이한다.

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

18 ㄱ. 띠틈이 가장 큰 A가 절연체, 띠틈이 0인 B는 도체, 그리고 그 중간에 해당하는 C는 반도체이다.

* 오답피하기>  ㄴ. 도체(B)는 절연체(A)보다 전기 전도성이 좋다.

ㄷ. 띠틈이 작은 반도체(C)는 띠틈이 큰 절연체(A)보다 원자가 띠에 있는 전자가 전도띠로 이동하기 쉽다.

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

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

* 오답피하기>  도핑은 순수 반도체에 불순물을 섞는 것을 말하는데 원자가 전자가 5개인 불순물을 이용하여 n형 반도체를, 원자가 전자가 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. 그림에서 LED에 불이 켜졌으므로 순방향 전압이 걸려 있다. 순방향 연결은 p형 반도체에 전원의 (+)극을, n형 반도체에 (-)극을 연결한 것으로 p-n 접합부에서는 전자와 양공이 접근하여 결합한다.

* 오답피하기> ㄷ. 띠틈이 클수록 전자가 전이할 때 방출하는 에너지가 크다. 이때 에너지는 빛의 형태로 방출된다. 즉, 띠틈이 더 클수록 방출되는 에너지는 크고, 이때 방출되는 빛의 파장은 짧다.

성취 기준	성취 수준
p-n 접합의 원리를 진술하고, 다이오드, LED, 트랜지스터 등의 작동 원리를 p-n 접합 원리와 연관 지어 설명할 수 있다.	중

21 ㄱ. A 위로 접근하는 동안 렌츠의 법칙에 의하여 A에 의한 자기 선속의 증가를 방해하는 방향으로 유도 전류가 흘러야 한다. 유도 전류의 방향이 시계 반대 방향이라면 A의 위쪽은 S극이어야 한다.

ㄷ. 원형 고리 도선에 작용하는 자기력의 방향은 P를 지날 때가 위쪽 방향, Q를 지날 때가 위쪽 방향이므로 두 자기력의 방향은 서로 같다.

* 오답피하기> ㄴ. A의 아래쪽은 N극이다. A와 B는 서로 밀어내는 자기력이 작용하므로 B의 위쪽도 N극이다. 원형 고리 도선이 P점을 지나는 순간 렌츠의 법칙에 의하여 도선이 아래 방향으로 운동하는 것을 방해하도록 유도 전류가 흘러야 한다. 따라서 A와 도선 사이에는 끌어당기는 자기력이 작용하고, 유도 전류는 시계 방향으로 흐른다. Q를 지나는 순간에는 원형 고리 도선이 B에 접근하는 것을 방해하는 방향으로 유도 전류가 흘러야 한다. 따라서 유도 전류는 시계 방향으로 흐른다.

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

22 ㄴ. A는 실리콘(Si)에 원자가 전자가 3개인 원소를 도핑하여 만든 p형 반도체이고, B는 실리콘(Si)에 원자가 전자가 5개인 원소를 도핑하여 만든 n형 반도체이다.

* 오답피하기> ㄱ. A는 실리콘(Si)에 원자가 전자가 3개인 원소를 도핑하여 양공이 많아진 p형 반도체이다.

ㄷ. p-n-p형 트랜지스터는 베이스와 이미터 사이에 순방향 전압, 베이스와 컬렉터 사이에 역방향 전압이 걸려 있다. 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 ㄴ. (가)에서 전압이 걸려 있지 않으면 액정의 배열 상태가 불규칙적이고, A를 통과한 편광은 액정에 의해 편광 방향이 변한다.

ㄷ. (나)에서 액정은 전압이 걸렸을 때 일정한 방향으로 배열된다.

* 오답피하기> ㄱ. (나)와 같이 투명 전극에 전압을 걸어 액정이 정렬하게 되면 편광된 빛의 편광축이 변하지 않고 빛이 진행한다. 편광판 A를 통과한 빛이 편광판 B를 통과하지 못하므로 두 편광판 A와 B의 편광축은 서로 수직으로 배열되어 있다.

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 (-)전하로 대전되었으므로 금속 막대의 오른쪽 끝 부분에는 자유 전자가 모여 있다.

[예시 답안]

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

채점 기준	배점(%)
금속 막대의 전자가 금속구로 이동하여 금속구가 떨어졌다고 옳게 서술한 경우	100
금속구의 대전 상태가 없어졌다고만 서술한 경우	30

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. (+)전하인 A에서 나온 전기력선과 B에서 나온 전기력선이 반발하고 있으므로 B는 (+)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 그림에서 자기장의 세기는 일정하므로 자기장이 통과하는 사각 도선 면적의 시간 변화율을 비교하면 된다.

[예시 답안]

A, B, C는 동일한 크기의 도선이고, 시간에 따라 도선 내부를 통과하는 자기장의 면적의 변화율은 속력이 빠른 C가 A보다 크다. B의 경우 자기장 속을 운동하고 있지만 도선 내부를 통과하는 자기장의 면적 변화율은 0이므로 B에는 유도 전류가 흐르지 않는다. 한편 A의 경우 도선 내부를 통과하는 들어가는 자기 선속이 증가하고 있으므로 렌츠 법칙에 의하여 A에는 들어가는 자기 선속을 감소하는 방향, 즉 반시계 방향으로 유도 전류가 흐른다. C는 들어가는 자기 선속이 감소하고 있으므로 렌츠의 법칙에 의하여 들어가는 자기 선속이 증가하는 방향, 즉 시계 방향으로 유도 전류가 흐른다.

채점 기준	배점(%)
각 도선에 흐르는 유도 전류의 세기와 방향을 모두 옳게 비교한 경우	100
유도 전류의 세기만 옳게 비교한 경우	50

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

28 두 직선 도선에 의한 자기장의 세기와 방향을 고려하여 각 지점에서 자기장의 합을 구하여야 한다.

[예시 답안]

P에서 자기장의 세기가 0이므로 A와 B에 흐르는 전류의 방향은 반대이다. B에 흐르는 전류를 [eqn: I_{1}]이라고 하면 [eqn: {kI} over {d} = {kI _{1}} over {3d}]이므로 [eqn: I_{1}=3I]이다. Q에서 자기장은 [eqn: {kI} over {d} + {3kI} over {d} = {4kI} over {d}]이고, R에서 자기장은 [eqn: {3kI} over {d} - {kI} over {3d} = {8kI} over {3d}]이다. 따라서 자기장의 세기는 Q에서가 R에서의 [eqn: {2} over {3}]배이다.

채점 기준	배점(%)
Q와 R에서의 자기장의 세기를 구하고 옳게 비교한 경우	100
Q와 R에서의 자기장의 세기를 비교만 한경우	40

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

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

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 (-)전하는 왼쪽으로 가속도가 증가하는 운동을 한다.

채점 기준	배점(%)
입자의 운동 방향고 속력 변화를 모두 옳게 서술한 경우	100
입자의 운동 방향이나 속력 변화 중 하나만 옳게 서술한 경우	50

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 ③	7 ⑤	8 ①	9 ②	10 ③

11 ⑤	12 ③	13 ⑤	14 ④	15 ⑤

16 ⑤	17 ③	18 ⑤	19 ④     20 ②

21 ⑤     22 ①     23 ①     24 ①

25 1 : 1 : 2         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 10000 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 ㄷ. 열린 관에서 발생한 정상파 파장은 관의 길이의 [eqn: {1} over {2}]배이고, 파장은 B에서가 A에서보다 짧다. 파장이 짧을수록 높은 소리가 나므로 B가 A보다 높은 소리가 난다.

* 오답피하기> ㄱ. 양 끝이 열린 관에서 정상파 공명이 일어날 때 열린 입구 쪽에서 공기 분자의 운동이 가장 활발한 배가 되고, P에서는 공기 분자의 운동이 거의 없는 마디가 된다.

ㄴ. 공명이 일어난 두 관 속에 발생하는 소리의 속력은 서로 같다.

성취 기준	성취 수준
소리의 공명, 간섭을 설명할 수 있다.	중

4 기타줄에 형성된 정상파의 기본 진동의 소리가 기타를 칠 때 나는 음의 높이이다. 줄을 세게 튕기면 진폭이 커지고, 발생하는 소리의 크기가 커진다. 발생하는 정상파 기본 진동의 파장은 P를 누를 때가 Q를 누를 때보다 짧다. 파장이 짧을수록 진동수가 크고, 높은 소리가 난다. 이때 발생하는 소리의 전파 속력은 P를 누를 때와 Q를 누를 때가 같다.

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 공명이라고 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 자연수의 배수이다.

성취 기준	성취 수준
소리의 공명, 간섭을 설명할 수 있다.	중

6 ㄱ. 금속판에 비추는 단색광의 진동수가 금속판의 문턱 진동수보다 클 때 광전자가 방출된다. A, B를 비출 때 광전자가 방출되고 C를 비출 때 광전자가 방출되지 않았으므로, 진동수는 A가 C보다 크다.

ㄴ. 단위 시간당 방출하는 광전자의 수는 빛의 세기가 셀수록 많아지므로 A보다 B를 비출 때 광전자가 더 많이 방출된다.

* 오답피하기> ㄷ. 금속판에 비추는 단색광의 진동수가 문턱 진동수보다 작으면 아무리 빛의 세기를 증가시켜도 광전자는 방출되지 않는다.

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 장치이다.

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 ㄱ. A에서 노란색 단색광이 눈에 들어오면 녹 원뿔세포([eqn: rmS_{2}])와 적 원뿔세포([eqn: rmS_{3}]) 모두 강하게 반응한다.

* 오답피하기> ㄴ. B에서 빨간색 단색광과 a가 눈에 들어왔을 때 노란색으로 인식되므로 a는 초록색 단색광이다.

ㄷ. 단색광 a(초록색 빛)에 반응하는 정도가 가장 큰 세포는 녹 원뿔세포([eqn: rmS_{2}])이다.

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

9 ㄴ. 빨간색 빛과 초록색 빛의 세기가 같아서 적 원뿔세포와 녹 원뿔세포가 적 원뿔세포의 반응 강도가 비슷하면 눈은 노란색으로 인식한다. 이때 빨간색 빛의 세기가 녹색 빛의 세기보다 커서 적 원뿔세포의 반응 강도가 증가하면 주황색으로 인식된다.

* 오답피하기> ㄱ. 컴퓨터 모니터를 비롯한 LCD 모니터는 빨간색, 초록색, 파란색의 화소의 밝기 변화로 다양한 색을 표현한다. 그리고 눈에서 원뿔세포와 녹 원뿔세포가 비슷한 세기로 반응하면 노란색으로 인식된다. 따라서 A, B는 빨간색과 초록색 빛이고, 꺼진 C는 파란색 빛이다.

ㄷ. A, B, C가 모두 켜지고 같은 세기이면 눈에서는 청 원뿔, 녹 원뿔, 적 원뿔세포는 모두 반응하여 흰색으로 인식한다.

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 진동 중 하나를 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. 이때 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 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 나타내고, (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. 전반사는 빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행할 때 일어나며, 입사각이 임계각보다 커야 한다.

ㄴ. 빛이 진행할 때 굴절각이 90°가 되는 입사각을 임계각이라 하며, 입사각이 임계각보다 커지면 빛은 전반사한다.

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 ㄴ. 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. (가)에서 레이저 빛이 B에서 A로 입사할 때 굴절각이 90°이므로 60°가 임계각일 때이다. A와 B의 굴절률이 각각 [eqn: n_{1}], [eqn: n_{2}]이고 임계각을 [eqn: theta_{c}]라고 하면 [eqn: {sin`90 DEG } over {sin` theta _{c}} = {n _{2}} over {n _{1}}]이고 [eqn: sin` theta _{c} = {n _{1}} over {n _{2}}]이다. 따라서 A를 굴절률이 더 작은 물질로 바꾸면 [eqn: n _{1}]이 작아지고 임계각도 60°보다 작아지므로 레이저 빛은 60°로 입사하면 전반사한다.

ㄷ. 광섬유의 클래딩은 굴절률이 작은 물질로, 코어는 굴절률이 큰 물질로 만든다. 따라서 클래딩은 A로, 코어는 B로 만든다.

* 오답피하기>  ㄱ, B에서 A로 레이저 빛이 진행할 때 임계각은 60°이다. 즉 60°보다 큰 각도로 입사할 때 전반사가 일어나며, 60°보다 작으면 전반사는 일어나지 않는다.

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. (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 작용하여 전류의 흐름을 방해한다.

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

19 ㄴ. 들어오는 전기 신호의 진동수가 클수록 축전기에 걸리는 저항(용량 리액턴스)은 감소한다.

ㄷ. 스피커는 축전기와 병렬로 연결되어 있어 축전기와 같은 전압이 걸린다. 전기 신호의 진동수가 클수록 축전기의 저항(용량 리액턴스)는 작아지고, 축전기에 걸리는 전압도 작아진다. 따라서 진동수가 큰 전기 신호일수록 스피커에 걸리는 전압도 감소하고 작은 소리가 발생한다. 즉 스피커에서 전기 신호가 소리 신호로 변환될 때 고음에서가 저음에서보다 작은 소리가 발생한다.

* 오답피하기>  ㄱ. 스피커에는 코일과 자석이 들어가 있으며, 앙페르 법칙을 이용하여 전기 신호를 소리 신호로 변환시킨다. 전자기 유도 현상을 이용하여 소리 신소를 전기 신호로 변환하는 장치는 마이크이다.

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 달려 있으며 태그에 해당한다.

* 오답피하기>  ㄴ. RFID(Radio Frequency IDentification)는 전파를 이용하여 직접 접촉하지 않고도 정보를 인식하는 기술이다. 따라서 송 ․ 수신에 이용되는 전자기파는 전파(라디오파)이다.

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. DVD와 블루레이 디스크는 정보 저장 용량만 다를 뿐 기본 원리는 동일하다. DVD와 블루레이 모두 표면에 홈을 만들어 홈이 파인 부분과 그렇지 않은 평평한 부분들의 조합을 통해 정보를 저장하고, 반사된 빛의 밝기 변화를 통해 저장된 디지털 정보를 인식한다.

* 오답피하기>  ㄴ. 블루레이 디스크는 정보 기록 밀도가 DVD보다 높아 기록된 정보를 인식하는데 더 짧은 파장의 빛이 필요하다.

ㄷ. 블루레이 디스크는 전원 공급이 끊겨도 저장된 정보는 그대로 남아 있다.

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

25 (가), (나), (다)에 발생하는 정상파의 기본 진동은 아래 그림과 같다. 발생하는 정상파의 기본 진동 파장은 (가)의 줄의 경우 관의 길이의 [eqn: {1} over {2}]배, (나)의 양끝이 열린 관의 경우 관의 길이의 [eqn: {1} over {2}]배, (다)의 한쪽이 닫힌 관의 경우 [eqn: {1} over {4}]배이다. 따라서 [eqn: lambda _{1} : lambda _{2} : lambda _{3} =2L:2L:4L=1:1:2] 이다.

성취 기준	성취 수준
소리의 공명, 간섭을 설명할 수 있다.	상

26 소음 제거 장치는 제품에서 발생한 소음을 센서가 인지하여 위상이 반대인 소음 제거 파동을 발생시키면, 소음과 발생한 파동이 서로 소멸 간섭이 일어나 소음이 제거되는 원리를 이용한다. 이러한 파동의 중첩이나 간섭 현상과 관련한 실생활 사례를 제시하여야 한다.

[예시 답안]

소음 제거 장치는 파동의 중첩에 의한 간섭 현상을 이용한다. 소음 제거 장치의 센서는 제품에서 발생한 소음을 인지하여 소음과 위상이 반대인 파동을 발생시키고, 두 파동은 서로 중첩되어 소멸 간섭이 일어나 소음이 제거된다. 이러한 파동의 중첩에 의한 간섭 현상으로는 호수에서 여러 개의 물결파가 발생하여 생기는 무늬, 여러 정상파의 소리들이 합쳐져 만들어지는 화음 등이 있다.

채점 기준	배점(%)
소음 제거에 이용된 간섭과 관련된 실생활 사례를 옳게 제시하여 서술한 경우	100
소음 제거는 파동의 간섭을 이용한다고만 서술한 경우	50

성취 기준	성취 수준
소리의 공명, 간섭을 설명할 수 있다.	중

27 공기 속을 진행하는 빛의 속력은 공기의 밀도와 온도에 따라 달라지며, 상대적으로 뜨거운 공기에서 속력이 더 빨라지므로 지면으로부터 위로 올라갈수록 온도가 낮아지는 공기층을 빛이 지날 때 진행 속력의 차이에 따른 굴절에 의해 신기루가 나타난다.

[예시 답안]

사막에서 뜨거운 지면 바로 위의 공기는 상대적으로 뜨겁고, 이 공기층을 지날 때 빛의 진행 속력은 더 빨라진다. 즉 지면 바로 위의 공기에서는 속력이 상대적으로 빠르고, 지면에서 떨어진 공기에서는 속력이 상대적으로 느리므로 물체에서 반사된 빛은 휘어서 눈에 인식된다. 한편 사람의 눈은 빛이 직진하여 진행한다고 인식하므로 물체의 실제 위치가 아닌 곳에서 물체를 보게 되며 이러한 현상을 신기루라고 한다.

채점 기준	배점(%)
신기루가 생기는 까닭을 빛의 굴절 현상으로 옳게 서술한 경우	100
그 외의 경우	0

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.

채점 기준	배점(%)
고음용 스피커를 쓰고, 그 까닭을 옳게 서술한 경우	100
고주파가 입력된 경우 전류가 흐르는 쪽이 고음용 스피커라고 서술한 경우	50
고음용 스피커가 A라고만 쓴 경우	30

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.

채점 기준	배점(%)
디지털 신호의 단점과 이용되는 까닭을 옳게 서술한 경우	100
디지털 신호가 이용되는 까닭만 서술한 경우	50
디지털 신호의 단점만 쓴 경우	30

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.

채점 기준	배점(%)
(가), (나)의 과정을 옳게 쓰고, 그 원리를 물리 법칙으로 옳게 서술한 경우	100
(가), (나) 중 하나의 과정만 옳게 쓰고, 그 원리를 서술한 경우	50
(가)는 정보 기록, (나)는 정보 재생 과정이라고만 쓴 경우	30

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

Ⅳ. 에너지

1 ③	2 ⑤	3 ②	4 ③	5 ③

6 ②	7 ④	8 ④	9 ③	10 ②

11 ③	12 ④	13 ③	14 ⑤	15 ②

16 ④	17 ⑤	18 ①	19 ③     20 ②

21 ①     22 ①     23 ⑤     24 ①

25 전류의 비 A : B = 1 : 2, 송전 전압의 비 A : B = 1 : 5

26 해설 참조      27 해설 참조       28 해설 참조

29 해설 참조    30 전류의 세기: 2 A, 전력량: 100 Wh

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(전류의~세기)][단위: W(와트)]

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 전류의 세기는 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 ㄱ. 변압기의 1차 코일과 2차 코일에 걸리는 전압의 비는 코일의 감은 수의 비에 비례한다. 즉 [eqn: V _{1} :V _{2} =N _{1} :N _{2}]이다. 코일의 감은 수는 2차 코일이 1차 코일의 4배이므로 코일에 걸리는 전압도 2차 코일에서가 1차 코일에서의 4배가 된다. 2차 코일에 걸리는 전압은 [eqn: 500 TIMES 4=2000] (V)이다.

ㄴ. [eqn: I= {V} over {R}]에서 2차 코일의 전압이 2000 V, 저항은 200 Ω이므로 2차 코일에 흐르는 전류의 세기 [eqn: I _{2} = {2000} over {200} =10](A)이다. 변압기에 의한 에너지 손실은 무시하므로 1차 코일에서 공급되는 에너지는 보존된다. 1차 코일에서 공급하는 전력(초당 전달되는 전기 에너지)은 2차 코일로 공급되는 전력(초당 전달받는 전기 에너지)은 같다. 따라서 [eqn: P=IV=][eqn: rm 10~A TIMES 2000~V=20000~W]이다.

* 오답피하기> ㄷ. [eqn: I _{1} TIMES V _{1} =I _{2} TIMES V _{2}]이다.

따라서 [eqn: I _{1} TIMES rm 500~V=10~A TIMES 2000~V]이고 1차 코일에 흐르는 전류 [eqn: I _{1} =rm40~A]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 질량 ․ 에너지 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 ㄷ. 질량 ․ 에너지 등가 원리에 의하여 질량은 에너지로 전환될 수 있으며 그 반대도 가능하며 [eqn: E`= DELTA mc ^{2}]에 따른다.

* 오답피하기> ㄱ. 질량 결손은 우라늄과 같은 큰 원자핵이 분열할 때뿐만 아니라 수소와 같은 작은 원자핵이 융합하는 핵융합 반응에서도 일어난다.

ㄴ. 핵반응 과정에서 줄어든 질량은 에너지로 전환된다.

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

7 핵반응식에서 반응 전과 후의 양성자 수와 질량수의 총합은 보존된다.

[eqn: rm _{````92} ^{235} rm U+ _{0} ^{1} n`]→[eqn: rm _{````36} ^{````92} rm Kr+]

(나)

[eqn: +3 _{0} ^{1} n`+] 에너지

원자핵 (나)의 양성자 수는 [eqn: 92-36=56]이고 질량수는 [eqn: 235+1-(92+3)=141]이다. 따라서 (나)는 [eqn: rm _{```````56} ^{````141} rm Ba]임을 알 수 있다.

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 원료로 사용하며, 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. 태양 전지는 빛에너지를 전기 에너지로 전환한다.

ㄴ. n형 반도체와 p형 반도체를 접합시키면 n형의 전자가 p형 쪽으로 확산하여 p-n 접합부에 전기장이 형성된다. 태양 전지에 빛을 쪼이면 p-n 접합면에 형성된 전기장에 의해 전자는 n형 반도체, 양공은 p형 반도체 쪽으로 이동하며, 회로를 연결하면 전류가 흐른다.

* 오답피하기> ㄷ. 태양 전지에 빛을 비추면 접합면에서 서로 결합되어 있던 전자와 양공이 나와서 각각 n형 반도체와 p형 반도체로 이동한다.

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. (-)극에서는 수소의 이온화(산화) 반응이, (+)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 p 지점에 발생한 돌림힘은 시계 반대 방향으로 0.3 m ×10 N=3 N·m이고, q 지점에 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 상태는 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 무게중심은 막대를 기준으로 한 연장선상 위에 있으므로 막대를 왼쪽으로 이동하면 무게중심은 막대의 오른쪽에 위치하게 된다. 야구 방망이의 무게중심이 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=시계 반대 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 저울이 판자를 받치는 힘을 [eqn: F] 라고 하고, 받침점의 위치를 축으로 하여 돌림힘의 평형을 적용하면 다음과 같다.

[eqn: {L} over {4} TIMES 20+ {L} over {2} TIMES 30=L TIMES F]에서 [eqn: F=20](N)이다.

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

16 ㄱ, ㄷ. 물보다 밀도가 작으면 뜨고 밀도가 크면 가라앉는다. 따라서 A는 B보다 밀도가 작다. 한편 물체의 밀도와 물의 밀도를 각각 [eqn: rho _{m}], [eqn: rho], 물체의 부피와 물에 잠긴 부피를 각각 [eqn: V], [eqn: V` prime]라고 하면, 물에 가만히 떠 있는 물체에 작용하는 알짜힘은 0이고 (물체의 무게)=(물체에 작용하는 부력)이다. 즉, [eqn: mg= rho _{m} gV= rho gV` prime]이고 물에 대한 물체의 밀도 비는 [eqn: rho _{m} = {V` prime } over {V} rho]이다.

* 오답피하기> ㄴ. 물체에 작용하는 부력의 크기는 물체가 유체 속에 잠겨 있는 부피에 비례한다. 따라서 물체에 작용하는 부력은 B가 A보다 크다.

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

17 B의 밀도를 [eqn: rho _{\B}], 부피를 [eqn: V _{\B}]라고 하면, (가)에서 (A의 무게)+(B의 무게)=(A에 작용하는 부력)+(B에 작용하는 부력)이다.

(나)에서 (A의 무게) + (B의 무게) = (A에 작용하는 부력)이므로 (가)에서 A와 B에 작용하는 부력) = (나)에서 A에 작용하는 부력이 된다. [eqn: rho g TIMES {1} over {2} V+ rho gV _{rm B it} = rho g TIMES {3} over {4} V] 이고 [eqn: V_{\B}= { 1} over {4 }V]이다.

(나)에서 [eqn: {1} over {4} rho g TIMES {1} over {2} V+ rho _{rm B it} g TIMES {1} over {4} V= rho g TIMES {3} over {4} V]이고, 이를 정리하면 [eqn: {1} over {8} rho + {1} over {4} rho _{rm B it} = {3} over {4} rho], [eqn: rho _{rm B it} = {5} over {2} rho]이다.

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

18 ㄱ. 파스칼의 원리는 밀폐된 용기에 담긴 비압축성 유체에 가해진 압력은 유체의 모든 부분과 유체를 담은 용기의 벽까지 그 세기가 일정하게 전달된다는 법칙이다. 피스톤 A, B, C에 작용하는 압력은 [eqn: P _{\A} =P _{\B} =P _{\C}]이다.

* 오답피하기> ㄴ. 압력은 단위 면적당 작용하는 힘이다. 압력이 작용하는 면적이 넓어질수록 큰 힘을 낼 수 있다. 단면적은 A가 B의 4배이므로 기름이 피스톤에 작용하는 힘도 A가 B의 4배이다.

ㄷ. 세 피스톤이 한 일의 합은 같다. A에서 기름이 내려가면서 피스톤이 [eqn: d]만큼 내려갈 때 B, C의 피스톤은 [eqn: x]만큼 올라갔다면  [eqn: 4F TIMES (-d)+F TIMES x+F TIMES x=0]이므로 [eqn: x=2d]이다. 즉, B에서는 피스톤이 [eqn: 2d]만큼 올라간다.

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

19 ㄱ, ㄴ. 베르누이 법칙을 만족하는 비압축성 유체인 경우 원형 단면 A와 B를 통과한 유체의 양은 같다. B를 통과할 때 유체의 속력을 [eqn: v_{ \B}]라고 하면 연속 방정식이 성립하며,  [eqn: 4 pi r ^{2} TIMES v= pi r ^{2} TIMES v _{\B}]이고 [eqn: v _{rm B it} =4v]이다.

* 오답피하기> ㄷ. A, B에서의 압력을 각각 [eqn: P _{1}], [eqn: P _{2}]라고 하면 베르누이 정리에 의해

[eqn: P _{1} + {1} over {2} rho v ^{2} + rho g TIMES 2r=P _{2} + {1} over {2} rho TIMES 16v ^{2} + rho g TIMES r] 이다. 따라서 압력 차는 [eqn: P _{1} -P _{2} = {15} over {2} rho v ^{2} - rho gr]이다.

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.

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 ㄱ. 등온 과정에서 온도가 일정하므로 내부 에너지 변화량은 0이고, 열역학 제1법칙 [eqn: Q`= TRIANGLE U`+`W`]에서 기체가 흡수한 열은 기체가 한 일과 같다.

ㄴ. 단열 과정에서 외부로부터의 열의 흡수나 방출은 없으므로  [eqn: 0= TRIANGLE U`+`W`], 즉 [eqn: W=- TRIANGLE U`]이다. 기체가 외부에 한 일은 기체의 내부 에너지 변화량과 같다.

ㄷ. 기체의 온도는 기체의 평균 속력의 제곱에 비례한다. A → C 과정에서 기체는 팽창하면서 외부에 일을 하면서 내부 에너지는 감소하고, 온도는 내려간다. 기체의 온도는 B에서가 C에서보다 높다. 따라서 기체의 평균 속력은 B에서가 C에서보다 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. 부피가 일정하면 흡수한 열량이 모두 내부 에너지를 증가시키는 데 쓰이기 때문에 정적 비열은 정압 비열보다 작다. 따라서 기체의 온도 1 K를 올리는 데 필요한 열량은 (가)에서보다 (나)가 더 크다.

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.

▪ B가 A보다 손실 전력이 4배 크므로 송전선에 흐르는 전류의 세기는 B가 A보다 2배 크다([eqn: P _{손실} `=I ^{2} R]).

▪ 송전 전력이 B가 A보다 10배 크므로 송전 전압은 B가 A보다 5배 크다([eqn: P _{송전} =V _{송전} I]).

따라서 각 발전소의 송전선에 흐르는 전류의 비 A : B = 1 : 2이고, 송전 전압의 비 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.

채점 기준	배점(%)
영희가 유리하다고 쓰고, 그 까닭을 돌림힘의 크기와 관련지어 힘의 크기와 회전축까지의 거리로 옳게 서술한 경우	100
영희가 유리하다고만 쓴 경우	30

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=][eqn: 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.

채점 기준	배점(%)
(1)과 (2)를 모두 올휴게 서술한 경우	100
(1)과 (2) 중 하나만 옳게 서술한 경우	50

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.

채점 기준	배점(%)
영희가 유리하다고 쓰고, 그 까닭을 돌림힘의 크기와 관련지어 힘의 크기와 회전축까지의 거리로 옳게 서술한 경우	100
영희가 유리하다고만 쓴 경우	30

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]

빵 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

채점 기준	배점(%)
빵 봉지 속 기체의 온도 변화를 내부 에너지와 연관지어 옳게 서술한 경우	100
빵 봉지 속 기체의 온도가 증가한다고만 서술한 경우	30

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

30 소비 전력이란 초당 발생하는 전기 에너지를 의미한다. 따라서 단위는 [eqn: rmJ/s]와 같은 의미인 [eqn: rm W](와트)를 사용한다. 정격 전압에 연결하였으므로 400 W = 200 V × I 에 의해 흐르는 전류의 세기는 2 A이다. 또한, 15분은 0.25 h이므로 전력량은 400 W×0.25 h=100 Wh이다.

채점 기준	배점(%)
정격 전압을 연결할 때 전류의 세기와 전력량을 모두 옳게 구한 경우	100
전류의 세기와 전력량 중 하나만 옳게 구한 경우	50

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