2024년 3월 고1 학평 (2015 교육과정) 통합과학 5번 해설

핵심 개념

공기 저항이 없을 때 자유 낙하하는 물체는 질량과 관계없이 속력이 일정하게 증가하며, 역학적 에너지가 보존된다.

단서 따라가기

1. 공기 저항 무시, 가만히 놓은 테니스공공기 저항이 없으면 떨어지는 동안 감소한 위치 에너지가 모두 운동 에너지로 전환되어 역학적 에너지(위치 에너지 + 운동 에너지)가 일정하다 보기 ㄱ (옳음)
2. 같은 높이에서 동시에 놓은 질량이 다른 두 공자유 낙하하는 물체는 질량과 관계없이 속력이 1초마다 9.8 m/s씩 증가한다 → 단위 시간당 속력 변화량이 같다 보기 ㄴ (옳음)
3. 두 공은 지면에 같은 속력으로 도달, 질량은 야구공 > 테니스공운동 에너지 = ½mv². 속력이 같으면 질량이 큰 물체의 운동 에너지가 크다(처음 위치 에너지 9.8mh도 야구공이 크다) 보기 ㄷ (옳음)

정답 근거

보기 ㄱ: 공기 저항을 무시할 때 중력만 받아 자유 낙하하는 물체의 역학적 에너지는 보존되므로 테니스공의 역학적 에너지는 일정하다. 보기 ㄴ: 떨어지는 동안 단위 시간당 속력의 변화량은 질량과 관계없이 일정(1초에 9.8 m/s)하므로 두 공이 같다. 보기 ㄷ: 두 공은 지면에 같은 속력 v로 도달하고, 운동 에너지는 ½mv²이므로 질량이 큰 야구공의 운동 에너지가 테니스공보다 크다. 따라서 ㄱ, ㄴ, ㄷ 모두 옳고 정답은 ⑤이다.

선지별로 왜 틀렸나

이 문항이 묻는 능력

자유 낙하 상황에서 질량과 관계있는 양(운동 에너지)과 관계없는 양(속력 변화량)을 구분하고 역학적 에너지 보존을 적용하는 능력

다음에 비슷한 문제를 만나면

공기 저항 조건 확인 → 자유 낙하의 속력 변화는 질량과 무관함을 적용 → 역학적 에너지 보존과 운동 에너지 식(½mv²)으로 질량에 따른 에너지 비교