[2013학년도 9월 수능 모의고사] 물리I 문제 풀이-01

저는 물리를 전공한 과학교사입니다. 그런데 지금껏 중학교에서만 있다보니 물리에 대한 감각이 점점 없어지는 것 같아 조금은 불안한 마음이 늘 있었습니다. 그래서 중간에 파란 블로그에서 물리강좌를 시도했었는데 제가 게을러서 잘 진행이 되지 않았습니다. 원고를 준비하는 것이 생각처럼 쉬운게 아니잖아요. 이제는 더이상 늦출 수 없다는 생각이 들어서 감각이 더 없어지기 전에 물리에 대한 감각을 올려보려고 수능 물리 시험문제들을 하루에 하나씩 풀어보려고 합니다.

고등학생들 중에서 물리를 선택한 학생들에게 고맙다는 말을 먼저 하고 이 글들이 조금이나마 도움이 되었으면 합니다.

먼저 지난 9월에 시행된 수능 모의고사 물리 I 문제들부터 시작하겠습니다.

문제 출처 : 한국교육과정 평가원 (http://www.kice.re.kr)

이 문제를 풀기 위해 필요한 기본 개념부터 알아 보겠습니다.

● 이동거리(distance) : 우리가 쉽게 이해할 수 있는 개념이지요. 실제로 이동한 거리를 나타내고 방향을 따지지는 않습니다. 방향이 없는 물리량을 스칼라(scalar)량이라고 합니다. 이동거리는 스칼라량입니다.

● 변위(displacement) : 물체가 이동할 때 중간에 어떻게 움직였든 처음과 나중만을 생각하고 이동한 직선거리와 방향을 이야기 합니다. 반드시 방향이 있어야만 합니다. 방향을 가지는 물리량을 벡터(vector)량이라고 합니다.

● 속력(speed) : 물체가 얼마나 빠르게 움직였는지를 나타내는 개념입니다. 물체의 빠르기를 측정하는 방법은 두 가지가 있습니다. 일정한 시간 동안에 얼마나 멀리 갔는지를 측정하는 방법과 일정한 거리를 놓고 얼마만큼의 시간 동안 이동했는지를 측정하는 방법이 있습니다. 물체가 빠를 경우 일정한 시간 동안에 멀리 가면 되고(즉, 빠르기는 이동거리에 비례), 일정한 거리를 갈 경우에는 시간이 짧으면 됩니다(즉, 빠르기는 시간에 반비례). 그래서 속력은 다음과 같이 정의합니다.

● 속도(velocity) : 우리가 속력과 많이 혼용해서 사용하는 용어입니다. 하지만 물리에서는 속력과 속도를 엄격하게 구분해서 설명합니다. 속도는 물체의 빠르기를 나타내는 물리량이지만 이동 거리 대신에 변위를 사용합니다. 즉 방향을 고려한 물체의 빠르기입니다. 똑같이 1m/s의 속력으로 움직인다고 해도 동쪽으로 움직이는 것과 서쪽으로 움직이는 것은 엄연히 다른  운동이니까요. 속도는 다음과 같이 정의를 내립니다.

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이제 문제를 한번 볼까요?

문제의 그래프는 위치-시간 그래프입니다. 처음에 출발할 때 기준에서 4m인 위치에 있다가 1초일 때 3m인 위치, 2초일 때는 1m인 위치에 있습니다. 즉 이 물체는 처음에 뒤로 이동했다는 의미이지요. 다시 3초일 때는 3m인 위치에 있고 4초 일 때는 처음 위치인 4m인 위치에 있네요. 즉, 앞으로 이동했다는 것을 알 수 있습니다. 그리고 6초 까지 계속 같은 위치에 있었습니다. 그럼 [보기]에서 올은 것을 찾아 볼까요?

ㄱ. 0초에서 6초까지 변위는 0이다.  : 여기서 변위라는 개념이 나왔네요. 위에서 설명했듯이 변위는 처음과 나중만 생각합니다. 처음에 4m인 위치에 있었고, 나중(6초)일 때도 역시 4m인 위치에 있네요. 중간에 어떻게 움직였는지는 중요하지 않지요. 처음과 나중 위치가 변하지 않았으니 변위는 0입니다. 따라서 보기의 ㄱ은 옳는 표현입니다.

ㄴ. 2초부터 4초까지의 평균속력은 1m/s이다. : 여기서는 평균속력이라는 개념이 나왔네요. 평균속력은 일정한 시간 동안 빠르기가 어떻게 변했든지 무조건 이동거리를 이동시간으로 나눠주면 됩니다. 2초일 때의 위치가 1m인 위치이고 4초일 때의 위치가 4m이므로 총 3m를 이동했네요. 이때 이동시간은 2초입니다. 따라서 평균속력은 다음과 같이 계산할 수 있겠네요.

따라서 보기의 ㄴ은 옳지 않은 표현입니다.

(다음 수식 편집기에서는 TeX의 \rm{}명령이 들지 않네요. 항상 단위는 이탤릭체가 아니라 로만체로 써야 합니다. 수정이 되었으면 좋겠네요. 아래아 한글이나 TeX에서 수식 편집할 때 꼭 기억해 두세요.)

 

ㄷ. 1초일 때와 3초일 때의 운동 방향은 같다. : 위에서 설명을 했듯이 1초일 때는 뒤로 움직이고 있었고, 3초일 때는 앞으로 움직이고 있었으니 이 표현을 옳지 않은 표현이 되겠네요. 여기서 하나 더 이야기 하자면 위치-시간 그래프에서 어느 한 점에서 접선을 그리고 그 기울기를 구하면 그 시간에서의 순간 속도를 구할 수 있습니다. 1초일 때의 접선의 기울기는 (-)를 가지고 있으므로 뒤로 움직이는 것이고, 3초일 때의 접선의 기울기는 (+)를 가지므로 앞으로 움직이고 있는 것입니다.

따라서 전체 [보기]에서 옳는 것은 ㄱ 하나 뿐이므로 정답은 ①번입니다.

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말로 하면 금방 끝날 내용도 글로 옮겨 적으려니 힘드네요. 시간이 꽤 걸리는 군요. 이 문제는 항상 나오는 문제이니 꼭 맞춰야 하는 문제입니다. 항상 연습 많이 하시기 바랍니다.

[새길]

[2012.10.09 - 동영상 풀이 추가합니다.]

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