2023년 3월 고1 학평 (2015 교육과정) 통합과학 2번 해설
2.
그림과 같이 점 A에 가만히 놓은 물체가 곡면을 따라 높이가 가장 낮은 점 B를 지나 운동하고 있다. 점 C, D는 곡면상의 점이고, A와 D의 높이는 같다. 이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 물체의 크기, 모든 마찰과 공기 저항은 무시한다.) [2점]
- ① ㄱ
- ② ㄴ
- ③ ㄱ, ㄷ
- ④ ㄴ, ㄷ
- ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
③
역학적 에너지가 보존되므로 A와 높이가 같은 D에서 속력은 0(ㄱ 옳음), B와 C의 역학적 에너지는 같고(ㄴ 틀림), 내려가는 동안 위치 에너지가 운동 에너지로 전환(ㄷ 옳음) → 정답 ③.
핵심 개념
마찰과 공기 저항이 없으면 위치 에너지와 운동 에너지가 서로 전환되면서 역학적 에너지는 일정하게 보존된다.
단서 따라가기
- A에 가만히 놓음, A와 D의 높이가 같음역학적 에너지가 보존되므로 높이가 같은 D에서 위치 에너지가 A와 같고, 운동 에너지도 A에서와 같은 0이다 → 속력 0 보기 ㄱ (옳음)
- 단, 모든 마찰과 공기 저항은 무시역학적 에너지(위치 에너지 + 운동 에너지)는 곡면 위 어느 점에서나 같다 → B와 C에서 같다 보기 ㄴ (틀림 — 같음)
- A에서 가장 낮은 점 B로 내려감높이가 낮아지면 위치 에너지가 줄고, 줄어든 만큼 운동 에너지가 늘어 속력이 빨라진다 보기 ㄷ (옳음)
정답 근거
보기 ㄱ: 마찰과 공기 저항을 무시하므로 역학적 에너지가 보존된다. A와 D의 높이가 같아 위치 에너지가 같으므로, D에서의 운동 에너지는 가만히 놓은 A에서와 같이 0이고 속력도 0이다. 보기 ㄷ: A에서 B로 내려가는 동안 높이가 낮아져 위치 에너지가 감소하고, 감소한 위치 에너지만큼 운동 에너지가 증가한다. 즉 위치 에너지가 운동 에너지로 전환된다. 옳은 것은 ㄱ, ㄷ이므로 정답은 ③이다.
선지별로 왜 틀렸나
①
함정 위치 에너지가 줄어드는 것을 에너지가 사라지는 것으로 여겨 ㄷ의 '전환'을 놓치기 쉽다.
ㄱ은 옳지만, 옳은 ㄷ(내려가는 동안 위치 에너지가 운동 에너지로 전환)이 빠졌다.
②
함정 B에서 속력이 가장 빠르니 역학적 에너지도 가장 크다고, 운동 에너지와 역학적 에너지를 같은 것으로 착각하기 쉽다.
ㄴ은 역학적 에너지가 보존되어 B와 C에서 같으므로 틀리고, 옳은 ㄱ, ㄷ이 빠졌다.
④
함정 D까지 올라가도 물체가 아직 움직이고 있을 것이라 생각해 D에서 속력이 0임을 의심하고, B에서 빠른 속력을 역학적 에너지가 크다는 뜻으로 읽기 쉽다.
ㄷ은 옳지만, ㄴ은 B와 C의 역학적 에너지가 같아 틀리고, 옳은 ㄱ이 빠졌다.
⑤
함정 가장 낮은 B에서 운동 에너지가 최대라는 사실을 역학적 에너지가 최대라는 뜻으로 확대하기 쉽다.
ㄱ, ㄷ은 옳지만, ㄴ은 역학적 에너지가 보존되어 B와 C에서 같으므로 틀리다.
이 문항이 묻는 능력
곡면 위 여러 점의 높이를 비교해 위치 에너지와 운동 에너지의 전환을 설명하고, 역학적 에너지 보존을 적용해 특정 점의 속력을 판단하는 능력
다음에 비슷한 문제를 만나면
마찰·공기 저항 무시 조건으로 역학적 에너지 보존 확인 → 높이로 위치 에너지 비교 → 역학적 에너지에서 위치 에너지를 빼 운동 에너지(속력) 판단
관련 개념
에너지 보존 법칙에너지 보존 법칙은 에너지가 한 형태에서 다른 형태로 전환될 때 새로 생기거나 없어지지 않고 그 총량이 항상 일정하게 보존된다는 법칙이다. 따라서 어떤 장치에 공급된 에너지는 유용하게 쓰인 에너지와 열 등으로 버려진 에너지의 합과 같다.
에너지 전환에너지 전환은 에너지가 한 형태에서 다른 형태로 바뀌는 것이다. 태양 에너지는 지구에서 광합성을 통해 화학 에너지로, 대기와 물의 순환을 통해 바람의 운동 에너지와 물의 위치 에너지 등으로 전환되며, 발전소와 전기 기구에서도 다양한 에너지 전환이 일어난다.
역학적 에너지 보존 위치 에너지 운동 에너지 에너지 전환
'에너지 보존 법칙' 개념이 나온 다른 기출
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