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대광고등학교 - 2학년 물리학1 수업자료

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(1)

물리학Ⅰ

Ⅱ- 2 열과 에너지

1. 역학적 에너지와 보존

37∼41쪽

1. 일(

 

)과 에너지(

 

)

(1) 일(

 ) : 힘을 주어 물체가 힘의 방향으로 이동할 때

① 힘과 변위와의 관계

힘과 변위의 방향이 같을 때

힘과 변위의 방향이 다를 때

③ 일이 0 인 경우 (

 )

 

관성 법칙이 적용되는 경우

  

물체에 힘이 작용해도 움직이지 않는 경우

  

힘의 방향과 이동 방향이 수직인 경우

④ 힘-거리 그래프

-그래프가 거리 축과 이루는 면적은 일(W)을 나타낸다.

(2) 일률(

) : 단위시간당 한 일이 양

2. 일과 에너지 정리

(1) 물체에 작용한 알짜힘이 한 일은 역학적에너지의 증가와 같다.

(2)

물리학Ⅰ

[ 등가속도 운동 식으로부터 운동 에너지(kinetic energy,

) 유도 ]

가속도 법칙 :   

, 등가속도 운동식 

 



 

[ 등가속도 운동 식으로부터 퍼텐셜 에너지 (potential energy,

)유도 ]

가속도 법칙 :   

, 등가속도 운동식 

 



  , (  ,   높이 )

  

, 

 



 

(2) 역학적 에너지 보존법칙과 에너지 보존법칙

역학적 에너지 보존법칙

에너지 보존법칙

위치





역학적에너지

O A B C

(3)

물리학Ⅰ

확인 문제

질량이 2 kg인 물체를 지면에서 수직으로 10 m/s의 속력으로 던졌을 때 물체가 가장 높이 올랐을 때 높이는? (단, 중력 가속도는 10 ㎨이고, 마찰력이나 공기 저항은 무시한다.)1 m ② 2 m ③ 3 m ④ 4 m ⑤ 5 m 2017. 6. 모의평가(2018. 고2) 그림 (가)와 (나)는 수평면에 정지해 있던 질량 2 kg인 물체에 각 각 수평 방향과 연직 방향으로 30 N의 힘이 작용하여 물체가 이 동한 모습을 나타낸 것이다. 정지해 있던 물체가 1 m 이동할 때까지에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 중력 가속도는 10  이고, 모든 마찰과 공기 저항은 무시한다.) [3점] < 보 기 > ㄱ. (가)에서 물체가 받은 일은 30 J이다. ㄴ. (나)에서 물체의 운동 에너지는 10 J 증가한다. ㄷ. (가)와 (나)에서 물체의 역학적 에너지 변화량은 같다. ① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 2013. 수능(2012. 11. 시험) 그림은 마찰이 없는 수평면에서 물체 A가 용수철이 달린 정지해 있는 물체 B를 향해 6 m/s로 등속 운동을 하다가 용수철을 최대 로 압축시킨 후, A와 B가 다시 분리되어 각각 2 m/s,

로 등속 운동을 하는 모습을 나타낸 것이다. A, B의 질량은 각각 1 kg, 2 kg이고, 용수철이 최대로 압축된 순간 A와 B의 속력은 V로 같다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 충돌 과정에서 역학적 에너지 손실은 없고, A와 B는 충돌 전후 동일 직선 상에서 운동하며, 용수철의 질량은 무시한 다.) [3점] < 보 기 > ㄱ. V=2 m/s이다. ㄴ. 용수철이 최대로 압축된 순간, 용수철에 저장된 탄성력에 의한 위치 에너지는 12 J이다. ㄷ.

=3 m/s이다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 2017. 9. 모의평가(2018. 고2) 그림과 같이 두 물체 A, B를 실로 연결하고 A를 수평면에 서 가만히 놓았더니 A가 등 가속도 운동을 하였다. B가

만큼 내려갔을 때, B의 속

력은

가 되었다. B의 높이가

만큼 감소하는 동안 B의 중력 퍼텐셜 에너지 감소

량이 B의 운동 에너지 증가량의 2배일 때, 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 중력 가속도 는

이고, 실의 질량과 모든 마찰은 무시한다.) [3점]

< 보 기 > ㄱ. A의 운동 에너지 증가량은 B의 역학적 에너지 감 소량과 같다. ㄴ. A와 B의 질량은 서로 같다. ㄷ.   이다. ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 2014. 11. 모의평가(2015. 고2) 그림과 같이 질량이 각각 , , 인 물체 A, B, C를 실로 연결한 후 C를 지면에 닿도록 누르고 있다. C를 가만히 놓았더니, 세 물체가 함께 운 동하였다. B가 지면에 닿는 순간, B의 운동 에너 지는?(단, 중력 가속도는 이고, 공기 저항과 모든 마찰, 물체의 크기, 실의 질량은 무시한다.) [3점] ①  ②  ③  ④  ⑤ 

(4)

물리학Ⅰ 2013. 6. 모의평가(2014. 고2) 그림과 같이 기울기가 다른 빗면에서 수평면으로부터 높이가 같 은 두 지점에 질량이 같은 물체 A, B를 가만히 놓았다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 공기 저항은 무시한다.) < 보 기 > ㄱ. 빗면을 내려오는 동안 A의 퍼텐셜 에너지는 일정하다. ㄴ. 빗면을 내려오는 동안 B의 운동 에너지는 증가한다. ㄷ. A와 B가 각각 수평면에 도달하는 순간의 속력은 같다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 2008. 6. 모의평가(2009. 고2) 그림은 마찰이 없는 수평면 위에 정지해 있던 질량 2 kg 인 물체 에 수평 방향으로 작용한 힘을 시간에 따라 나타낸 것이다. 4 초 동안 힘이 물체에 한 일은? ① 12 J ② 16 J ③ 36 J ④ 40 J ⑤ 72 J 2012. 6. 모의평가(2013. 고2) 그림과 같이 바닥에 놓여 있던 물체 A를 도르래와 줄을 이용하 여 일정한 힘

로 당겼더니 A 가 일정한 가속도로 올라갔다. A가 올라가는 동안, 이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점] < 보 기 > ㄱ.

의 크기는 A의 무게와 같다. ㄴ. A의 운동 에너지가 증가한다. ㄷ. 줄이 A에 한 일만큼 A의 퍼텐셜 에너지가 증가한다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ 2012. 9. 모의평가(2013. 고2) 그림은 정지 상태의 동일한 물체에 크기가 각각

,

인 일정 한 힘을 작용시켜 (가)는 연직방향으로, (나)는 빗면과 나란한 방 향으로 물체가 각각

만큼 움직였을 때 속력이

가 되는 모습을

나타낸 것이다. 물체가

만큼 이동하는 동안, 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 실의 질량과 모든 마찰은 무시한다.) [3점] < 보 기 > ㄱ. 물체의 역학적 에너지 증가량은 (가)에서가 (나)에서보다 크다. ㄴ.

이다. ㄷ. 물체에 작용하는 중력이 한 일은 (가)에서와 (나)에 서가 같다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 2016. 6. 모의평가(2017. 고2) 그림 (가)는 물체 A와 B가 줄 p로 연결된 상태에서 B는 지면과 줄 q로 연결되어 정지해 있는 것을, 그림 (나)는 (가)에서 q를 끊 었을 때 등가속도 운동을 하는 A와 B를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 줄의 질량과 모든 마찰은 무시한다.) [3점] < 보 기 > ㄱ. (나)에서 운동량의 크기는 A가 B보다 크다. ㄴ. A의 역학적 에너지는 (나)에서가 (가)에서보다 크다. ㄷ. p가 B에 작용하는 힘의 크기는 (가)에서가 (나)에서보다 크 다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

(5)

물리학Ⅰ 2012년 수능 8번] 그림과 같이 지량이 각각 2m, m안 물체 A, B를 실로 연결한 후 A를 정지 상태에서 가만히 놓았더니, A가 2h만큼 낙하하는 동안 B는 마찰이 없는 빗면을 따라 높이 h만큼 올라갔다. A가 지면에 닿는 순간, A의 속력은?(단, 중력 가속도는 g이고, 물 체의 크기, 실의 질량, 도르래의 마찰, 공기 저항은 무시한다.) ①

  ②  ③  ④  ⑤  2014년 4월 학평 7번] 그림은 높이 3h인 A점에 가만히 놓은 수레가 궤도를 따라 운동 하는 모습을 나타낸 것이다. B. C점에서 수레의 속력은 각각 , 이고, B에서 중력에 의한 퍼텐셜에너지는 B에서의 운동 에너지 의 2배이다. C의 높이는?(단, 지면에서 중력에 의한 퍼텐셜 에너지는 0이며, 수레의 크기와 모든 마찰 및 공기의 저항은 무시한다.) ①  ②  ③  ④  ⑤  2017년 수능 10번] 그림 (가)는 0초일 때 정지해 있던 물체 A, B, C가 실로 연결된 채 등가속도 운동을 하다가 2초일 때 A와 B를 연결하고 있던 실 이 끊어진 후 A, B, C가 등가속도 운동을 하고 있는 것을, (나)는 시간에 따른 B의 속력을 나타낸 것이다. 질량은 A가 C보다 크고, B의 질량은 m이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? (단, 중력 가속도는 10이고, 모든 마찰과 공기 저항은 무시한다.) 보기 ㄱ. C의 운동방향은 1초일 때와 3초일 때가 서로 반대이다. ㄴ. 질량은 A가 C의 4배이다. ㄷ. C의 역학적 에너지는 3초일 때가 2초일 때보다 크다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ 2018년 수능 16번] 그림과 같이 물체 A에 수 평 방향으로 10N의 힘 F 가 작용하여 물체 A, B가 정지해 있다. 이 상태에서 F의 크기를 30N으로 하 여 실을 당기다가 놓는다. A의 처음 위치 p와 실을 놓는 순간의 위치 Q사이 의 거리는 0.4m이다. A가 p에서 q까지 운동하는 동안 B의 중력 퍼텐셜 에너지 증가량 은 B의 운동 에너지 증가량의 2배이다. A가 p를 다시 지나는 순간, A의 운동 에너지는? (단, 중력 가속도 는 10이고, 실의 질량, 물체의 크기, 모든 마찰과 공기 저 항은 무시한다.) ① 4 ② 5 ③ 6 ④ 8 ⑤ 9

(6)

물리학Ⅰ

Ⅱ- 2 열과 에너지

2. 내부에너지와 열기관

51∼59쪽

1. 열과 온도

열 : 에너지

온도 : 물체의 차고 따뜻한 정도를 나타내는 물리량

① 섭씨 온도 : 1기압에서 순수한 물의 어는점을 0℃, 끓는점을

100℃로 하고 그 사이를 100 등분하여 나타내는 온도

② 절대온도 : 이상 기체 분자의 열운동이 완전히 멈추는 상태를

로 정한 후 섭씨온도와 같은 온도 간격으로 나누어 나타내

는 온도

절대온도 

  섭씨온도 ℃   

⓷ 열의 이동 : 고온→저온

전도 대류 복사

⓸ 열평형 상태 : 두 물체를 접촉시켰을 때 열 이동에 의해 온도가 같아지는 상태

온도 평형 온도 열평형상태    비열



: 어떤 물질 1g(1kg)을 1℃(1K) 높이는데 필요한 열량

비열   

질량  × 온도변화 

열량 

 ∙ ℃   ∙

  ∙ ℃ 

열량 

  

열용량

: 열 에너지를 담을 수 있는 크기 (물질의 비열과 질량에 비례)

열용량 

  

얻은 열량과 잃은 열량의 관계

⓹ 상태변화와 잠열

기체

고체

액체

(7)

물리학Ⅰ

- 고체물질의 가열곡선

온도

시간()

잠열 : 숨은열, 물질이 온도 변화없이 상태만 변할 때 출입하는 열 (상태변화 에너지)

융해열(응고열) : 80 = 335



기화열(액화열) : 540 = 2,260



2. 기체가 하는 일

이상기체 (Ideal gas)

조건) 1. 기체 분자의 크기가 0

2. 기체 분자 사이의 인력 0

3. 기체 분자 사이의 퍼텐셜 에너지 0

⓵ 보일 샤를의 법칙 (이상기체 상태방정식)

보일의 법칙 : 기체의 부피(V)와 압력(P)관계

샤를의 법칙 : 기체의 부피(V)와 온도(T)관계

② 기체가 하는 일

압력 

  

단면적 

힘 





대기압  기압  

 

:

 

:

 

:

이상기체 내부 에너지

내부 에너지

 = 운동에너지

 + 퍼텐셜에너지

(이상기체에서는 기체사이의 퍼텐셜 에너지는 0)

내부 에너지

 = 운동에너지

운동에너지

 = 

   볼츠만 상수 1.380662×10

-23

J/K

(8)

물리학Ⅰ

3. 열역학 제 1법칙(에너지 보존 법칙)

열(Q)

기체에 가한 열에너지 (열량) 기체의 부피팽창 기체의 온도상승

기체에 가한 열 =

기체에 가해준 열에너지

 = [열역학 제1법칙]

 

내부에너지 변화 

 =

기체가 한 일

 =

부호 열에너지

내부 에너지



한 일

+ (흡열) - (발열)

4. 열역학과정

⓵ 등적 과정 ( A → B ) : ∆

 

 



내부에너지에서



 



→ 부피가 일정하고 압력이 증가 →

② 등압 과정 : ∆

 

- 팽창 (B →C) : 

 

 



내부에너지에서



 



→ 압력이 일정하고 부피팽창 →

- 압축 (D →A) : 

 

 



내부에너지에서



 



→ 압력이 일정하고 부피감소 →

③ 등온 과정 (C →D) :

 

 





 



 일정 압력이 증가하면 부피는 감소 

(9)

물리학Ⅰ

④ 단열 과정 : 

 

,



 

 

  

단열 팽창 (B → D) :

  내부에너지에서



 

 → 부피가 팽창하면

→ 내부온도 하강하고 압력은 감소

팽창하면 외부에 일을 하고 일 한 만큼 에너지가 감소하여 온도

하강

단열 수축 (C → A) :

  내부에너지에서



 

 → 부피가 수축하면

→ 내부온도 상승하고 압력은 증가 A B C D

수축하면 외부에서 일을 받고 받은 일 한 만큼 에너지가 증가하여 온도 상승

P

V

1 2

5

4 3

1 → 2 :

2 → 3 :

3 → 4 :

4 → 1 :

2 → 5 :

확인 문제

그림은 어떤 기체의 상태 변화를 압력과 부피의 관계로 나타낸 것이다. A → B 과 정에서 기체의 부피는 일정(등적)하고, B → C 과정은 단열 과정이다. 이 그래프에 나타난 과정에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① A → B 과정에서 기체는 열을 공급받는다. ② A → B 과정에서 기체가 외부에 하는 일은 0이다. ③ B → C 과정에서 기체의 내부 에너지는 변하지 않는다. ④ B → C 과정에서 기체는 외부에 일을 한다. ⑤ B → C 과정에서 기체는 주위와 열 교환이 없다.

(10)

물리학Ⅰ [2014. 수능 5번 문제] 그림 (가), (나)는 단열 팽창을 이용하여 방사선의 궤적을 관찰하 는 윌슨의 안개 상자 원리를 모식적으로 나타낸 것이다. (가)는 공기가 들어 있는 상자 내부에 수증기를 넣고 수증기가 응결되지 않은 상태로 단열 팽창시킨 모습을, (나)는 (가)의 단열 팽창된 상 자 내부에 방사선이 지나갈 때 궤적을 따라 수증기가 물로 응결 되는 모습을 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? [3점] <보 기> ㄱ. (가)에서 단열 팽창하는 동안 상자 내부의 온도는 낮아진다. ㄴ. (가)에서 단열 팽창하는 동안 상자 내부의 압력은 감소한다. ㄷ. (나)에서 물로 응결된 수증기는 응결 과정에서 열을 흡수하였다. ① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ [2015. 수능 17번 문제] 그림 (가)와 (나)는 단열된 실린더에 들어 있는 같은 양의 동일한 이상 기체에, (가)는 부피를 (나)는 압력을 일정하게 유지하면서 각각 동일한 열량

를 공급한 모습을 나타낸 것이다. 가열 전 (가)와 (나)에서 기체의 부피와 절대 온도는 각각

,

로 같고, 가열 후 (나)에서 기체의 부피는 2

이다. 이 과정에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고 른 것은? (단, 피스톤과 실린더 사이의 마찰은 무시한다.) <보 기> ㄱ. 가열 후 (나)에서 기체의 절대 온도는

이다. ㄴ. 가열 후 기체의 내부 에너지는 (가)에서가 (나)에서보다 크다. ㄷ. (나)에서 기체가 외부에 한 일은 (가)에서 기체의 내부 에너지 증 가량과 같다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ [2016. 수능 18번 문제] 그림 (가)는 추, 밀도가 균일한 유체, 이상 기체가 평형 상태에 있는 모습을 나타낸 것이다. (가)의 기체에 일정 시간 동안 열을 가했더니 그림 (나)와 같이 기체의 부피가 증가한 상태로 피스톤 이 정지하였다. 실린더와 피스톤을 통한 열 출입은 없고, 아래 피 스톤의 단면적은 위 피스톤의 단면적보다 크다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? (단, 피스톤의 질량, 실린더와 피스톤 사이의 마찰은 무시한 다. 유체는 베르누이 법칙을 만족하고, 대기압은 일정하다.) [3점] <보 기> ㄱ. (가)에서 (나)로 변하는 동안 기체가 한 일은 추의 중력에 의한 퍼텐셜 에너지 변화량보다 크다. ㄴ. 기체의 내부 에너지 변화량은 기체가 받은 열과 같다. ㄷ. 기체의 압력은 (가)에서와 (나)에서가 같다. ① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ [2017. 수능 16번 문제] 그림 (가)는 열효율이 0.2 인 열기관이 고열원에서

의 열을 흡수하여

의 일을 하고 저열원으로

의 열을 방출하는 것을 모식적으로 나타낸 것이다. 그림 (나)는 (가)의 열기관의 작동 과 정의 일부에 대한 기체의 상태 변화를 압력과 부피의 그래프로 나타낸 것이다. A → B 과정은 등적 과정이고, B → C 과정은 단 열 과정이다. (가) (나) 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점] <보 기> ㄱ.  이다. ㄴ. A → B 과정에서 기체는 열을 흡수한다. ㄷ. B → C 과정에서 기체가 한 일은 B → C 과정에서 기체의 내부 에너지의 감소량과 같다. ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

(11)

물리학Ⅰ [2013. 9. 모의평가(2014. 대비) ] 그림은 공기가 들어 있는 찌그러진 페트병의 마개를 닫고 따뜻한 물에 넣었더니 페트병이 원래 모양으로 돌아오는 것을 보고 학생 들이 대화하는 모습을 나타낸 것이다. 제시한 의견이 옳은 학생만을 있는 대로 고른 것은? ① 철수 ② 영희 ③ 민수 ④ 철수, 민수 ⑤ 영희, 민수 [ 2018. 수능(2017. 11. 시험)] 그림 (가)는 이상 기체 A가 들어 있는 실린더에서 피스톤이 정지 해 있는 모습을, (나)는 (가)의 A에 열량 Q를 가하여 피스톤이 이 동해 정지한 모습을, (다)는 (나)의 A에 일 W를 하여 피스톤을 이 동시킨 후 고정한 모습을 나타낸 것이다. A의 압력은 (가) → (나) 과정에서 일정하고, A의 부피는 (가)와 (다)에서 같다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 피스톤의 마찰은 무시한다.) [3점] < 보 기 > ㄱ. A의 온도는 (가)에서가 (다)에서보다 낮다. ㄴ. (나)→(다) 과정에서 A의 압력은 일정하다. ㄷ. (가)→(나) 과정에서 A가 한 일은 (나)→(다) 과정에 서 A의 내부 에너지 변화량과 같다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ [2013. 9. 모의평가(2014. 대비)] 그림과 같이 피스톤으로 분리된 실린더의 두 부분 A, B에 동일한 분자로 이루어진 이상 기체가 들어 있다. 피스톤은 힘의 평형을 이루며 정지하여 있고, 부피는 A가 B보다 크다. A의 기체가 B의 기체보다 큰 물리량만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 실린더와 피스톤 사이의 마찰은 무시한다.) < 보 기 > ㄱ. 압력  ㄴ. 기체 분자 1 개의 평균 속력  ㄷ. 분자의 개수 ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ [2014. 수능(2013. 11. 물리2)] 그림과 같이 부피가 같은 밀폐된 용기에 단원자 분자 이상 기체 A, B가 들어 있다. A, B는 온도가

으로 같고, 압력이 각각

,

이다. B의 물리량이 A의 물리량보다 큰 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점] < 보 기 > ㄱ. 분자의 개수 ㄴ. 분자 1 개의 평균 운동 에너지 ㄷ. 내부 에너지 ① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ

(12)

물리학Ⅰ

Ⅱ- 2 열과 에너지

3. 열효율

60∼63쪽

5. 열역학 제 2법칙(비가역현상)

∙ 열은 고온에서 저온으로 이동

∙ 일은 모두 열로 바꿀 수 있으나 열을 모두 일로 바꿀 수 없다.

∙ 계에서는 확률이 큰 방향, 무질서한 방향, 엔트로피가 증가하는 방향으로 비가역현상이 일어난다.

열기관 : 열에너지를 일로 바꾸는 장치(증기, 디젤, 가솔린, 제트 기관)

열 기 관 고열원

저열원

 열효율 : 열기관이 흡수한 열에너지와 외부에 한 일의 비 열효율

  

  

이면

 

저열원이 없으면 열의 이동이 없으므로 열역학 제 2법칙에 위배 열효율 100% 열기관은 없다.

확인 문제

열효율이 0.25인 열기관이 고열원

의 열을 흡수하여

의 일을 하고 저열원으로

의 열을 방출하였다. 이 열기관에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ①

=4이다. ②

=3이다. ③ 이 열기관은 공급 받은 열에너지의

을 일로 전환하였다. ④ 이 열기관의 내부 에너지는 일을 하는 동안 변하지 않는다. ⑤ 이 열기관이 계속 일을 하면 열효율이 높아진다.

(13)

물리학Ⅰ [2014. 3. 모의평가(2015. 고2)] 그림은 온도가 높은 고열원으로부터

의 열을 흡수하여

의 일을 하고, 온도가 낮은 저열원으로

의 열을 방출하는 열기관 을 모식적으로 나타낸 것이다. 이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3 점] < 보 기 > ㄱ.

이다. ㄴ.

이 일정할 때

가 작을수록 열기관의 열효율이 높다. ㄷ.

=0인 열기관은 열역학 제2법칙에 위배되므로 만 들 수 없다. ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ [2015. 6. 모의평가(2016. 대비)] 그림은 온도가

인 열원에서 10 kJ의 열을 흡수하여

의 일을 하고 온도가



인 열원으로 6 kJ 의 열을 방 출하는 열기관을 모식적으로 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점] < 보 기 > ㄱ.

>

이다. ㄴ.

=4 kJ이다. ㄷ. 열기관의 열효율은 0.6이다. ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ [2016. 3. 모의평가(2017. 고2)] 그림은 동일한 열

를 흡수하여 일을 하는 가상의 열기관 A, B, C를 모식적으로 나타낸 것이다. A, B, C 중에서 실현 가능한 열기관만을 있는 대로 고른 것은? [3 점] ① A ② B ③ C ④ A, B ⑤ A, C [2017. 수능(2016. 11. 시험)) 그림 (가)는 열효율이 0.2인 열기관이 고열원에서

의 열을 흡수하여

의 일을 하고 저열원으로

의 열을 방 출하는 것을 모식적으로 나타낸 것이다. 그림 (나)는 (가) 의 열기관의 작동 과정의 일부에 대한 기체의 상태 변화 를 압력과 부피의 그래프로 나타낸 것이다. A→B 과정은 등적 과정이고, B→C 과정은 단열 과정이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점] < 보 기 > ㄱ.

=

이다. ㄴ. A→B 과정에서 기체는 열을 흡수한다. ㄷ. B→C 과정에서 기체가 한 일은 B→C 과정에서 기체 의 내부 에너지의 감소량과 같다. ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

(14)

물리학Ⅰ

Ⅰ- 3 특수상대성 이론

1. 특수상대성 이론

67∼75쪽

1. 마이컬슨 - 몰리 실험 (빛[파동]의 매질을 알아보는 실험)

A B

A 매질 ↓ • B

결과 ⇒ 빛의 매질(에테르)은 없으며 항상 속도는 일정하다.

2. 특수 상대성 이론 (등속운동하는 관성좌표계에서의 해석)

(1) 특수 상대성 이론의 가정

물체가 등속도 운동을 하는 기준계에서의 물리법칙은 정지해 있는 기준계에서의 물리법칙과 동일

상대성원리와 광속불변의 원리의 두가지 가정을 제시

상대성 원리 : 정지 또는 등속운동하는 관성 좌

표계에서 물리 법칙은 동일하게 성립한다.

광속 불변의 원리 : 모든 관성 좌표계에서 빛의

속도는 동일하게 보인다.(   × 

 )

⇒ 서로 다른 관성 좌표계에서 관찰되는 속도는 다를 수 있지만, 운동의 법칙은 똑같이 성립된다. ⇒ 진공 중에서 진행하는 빛의 속도는 관찰자의 상대 적 움직임이나 광원의 속도에 관계없이 일정하게 관측 된다.

(15)

물리학Ⅰ

(2) 특수 상대성 이론의 적용

뉴턴역학에서 설명할 수 없는 것을 설명가능, 제한적인 상황인 등속도 운동하는 물체를 설명하기 때문에 특수

상대성 이론이라 함.

① 동시성의 상대성 - 한 좌표계에서 동시에 일어난 사건을 다른 좌표계에서 보면 동시가 아닐 수 있다.

① 우주선 내부 관찰자 ⇒ 빛이 동일한 거리를 이동하므로 두 사건 A, B는 동시에 일어남. ② 지면의 관찰자 ⇒ 사건 B가 먼저 일어남.

② 시간 팽창 (시간 지연) - 등속() 운동하는 좌표계에서 측정한 시간 (

)은 정지해 있는 좌표계에서 측정

한 시간()보다 느리게 간다.

① 우주선 관찰자 시간 측정 ② 지구 관찰자 시간 측정

③ 길이수축 - 등속() 운동하는 물체의 길이를 측정하면 운동 방향의 길이(

)가 정지했을 때 측정한 길이(

)

보다 짧아진다.

지구관측자의 길이 측정 (정지상태에서 길이 측정)

고유길이 

   

우주선 관측자의 길이 측정

  

,  

 



 

  

 

  

  

 

 ⓐ 우주선 내의 A가 측정한 거리 ⇒ 느려진 시간으로 관측되므로 길이 수축 현상이 일어난다. (길이 수축) ⓑ 지구에서 B가 측정한 거리 ⇒ 상대적으로 정지한 물체의 길이를 측정하 게 되며 이를 고유 길이라고 한다.

(16)

물리학Ⅰ 2015년 3월 학평 8번] 그림과 같이 철수가 탄 우주선이 영희에 대해 일정한 속도 0.8c 로 운동하고 있다. 우주선의 바닥에서 출발한 빛이 P에 도달할 때까지 철수와 영희가 측정한 빛의 이동 거리는 각각 철 수, 영 희 이고, 걸린 시간은 각각 철 수, 영 희이다. 이에 대한 옳은 관계식만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, c는 빛의 속력이다.) 보기 ㄱ. 철 수 영 희 ㄴ. 철 수 영 희 ㄷ.  철 수 철 수   영 희 영 희 ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ 2017년 10월 학평 6번] 그림은 영희가 관측했을 때 길이가 인 정지해 있는 상자의 양쪽 있는 광원 A와 B에서 나온 빛이 서로 반대 방향으로 진행하고, 철수는 오른쪽 방향으로 0.6c의 속도로 이동하는 모습을 나타낸 것이다. 철수가 측정했을 때 A, B,에서 나온 빛이 각각 상자의 맞 은쪽 면에 도달할 때까지 걸린 시간은 , 이다. 철수가 측정했을 때에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대 로 고른 것은? (단, c는 빛의 속력이다.) 보기 ㄱ. 상자의 길이는 보다 작다. ㄴ. A에서 나온 빛의 속력은 c보다 크다. ㄷ.  이다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ 2016년 수능 6번] 그림은 정지해 있는 관찰자 A 에 대해 양성자가 일정한 속도 0.9c로 점 p를 지나 점 q를 통 과하는 모습을 나타낸 것이다. A가 측정한 p와 q 사이의 거리 는 이고, 양성자와 같은 속도 로 움직이는 우주선에 탄 관찰 자 B가 측정한 p에서 q까지 이 동하는 데 걸린 시간은 이다. 이에 대한 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, c는 빛의 속력이다.) 보기 ㄱ.    이다. ㄴ. A가 측정한 p에서 q까지 양성자가 이동하는 데 걸린 시간 은 보다 작다. ㄷ. B가 측정한 양성자의 정지 에너지는 0이다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ 2018년 수능 7번] 그림과 같이 지표면에 정지해 있는 관찰자가 측정할 때, 지표 면으로부터 높이 인 곳에서 뮤온 A, B가 생성되어 각각 연 직 방향의 일정한 속도 0.88c, 0.99c로 지표면을 향해 움직인 다. A, B 중 하나는 지표면에 도달하는 순간 붕괴하고, 다른 하나는 지표면에 도달하기 전에 붕괴한다. 정지 상태의 뮤온이 생성된 순간부터 붕괴하는 순간까지 걸리는 시간은 ∘이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, c는 빛의 속력이다.) 보기 ㄱ. 관찰자가 측정할 때 A가 생성된 순간부터 붕괴하는 순간까 지 걸리는 시간은 ∘이다. ㄴ. 지표면에 도달하는 순간 붕괴하는 뮤온은 B이다. ㄷ. 관찰자가 측정할 때 는 이다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

(17)

물리학Ⅰ

Ⅰ- 3 특수상대성 이론

2. 질량-에너지 등가성

76∼79쪽

1. 질량-에너지 등가성 – 정지해 있는 물체에 계속 힘(에너지)을 공급하면?

 

   

  물체에 가한 에너지

질량    속력

공급한 에너지는 어디로 갔을까? ⇨ 에너지는 물체의 질량으로 전환

 

,

  

  



(

는 정지질량)

정지에너지(정지한 물체가 가지는 에너지)

 

(18)

물리학Ⅰ

2. 원자의 구조와 동위원소

① 원자의 구조

전자 핵(양성자+중성자) 원자 핵 양성자 u쿼크 2 + d쿼크1, 전하량 u쿼크 :

 

전하량 d쿼크 :

 

전하량 중성자 u쿼크 1 + d쿼크2, 전하량 전자 전자 하나의 전하량

② 동위원소

원자 번호 = 양성자 수 = 전자의 수 질량수 = 양성자 수 + 중성자 수 동위 원소 : 양성자수가 같고 중성자수가 다른 원소

동위원소

 

양성자수 92 중성자수 142  

양성자수 92 중성자수 146 원자에서 양성자수와 전자 수는 같지만, 무거운 원자일수록 양성자수보다 중성자수가 더 많아진다.

3. 원자의 질량과 결합에너지

① 원자의 질량

② 결합에너지

핵자당 결합에너지

질량수 ● 결합에너지가 가장 강한 물질 : 철(

) ⇒ 철이 가장 안정적인 물질 ● 철보다 가벼운 물질 → 결합에너지가 큰 물질로 융합 ● 철보다 무거운 물질 → 결합에너지가 큰 물질로 분열 ● 질량결손 : 반응 전 질량 > 반응 후 질량

(19)

물리학Ⅰ

3. 핵반응 :

원자핵이 다른 원자핵이나 중성자와 충돌하여 다른 원자핵으로 변환되는 현상

 

 

(             )

① 핵분열 : 하나의 원자핵이 쪼개지면서 두 개의 새로운 원자핵이 생겨나는 반응

핵분열 무거운 핵 → 가벼운 핵(원자력발전, 우라늄 핵폭탄)  

 →

 

 



  



  에너지

전하량보존법칙 : 질량수 보존법칙 질량결손에너지 (반응 전 질량 > 반응 후 질량) 질량결손량 =  ×  

 

  × 

 

 약 

● 연쇄 반응 : 저속 중성자를 흡수한 U는 핵이 분열하면서 2~3개의 고속 중성자를 내놓는다. 이 고속 중성자 들을 느려지게 하면 U 원자핵들에 충돌하여 계속적인 분열이 일어난다. ● 감속재 : 중성자의 속도를 느리게 하여 핵분열이 쉽게 일어나게 하는 물질(물, 흑연) ● 제어봉 : 핵 분열시 나오는 중성자를 흡수하여 연쇄반응의 속도를 조절(카드뮴, 붕소) ● 냉각재 : 핵 반응시 나오는 열을 식히는 역할 ● 원자로의 종류 원자로 연료 냉각재 감속재 장단점 경수로 저농축 우라늄 물(경수)

물 감속재확보 쉬움 연료확보 어려움 중수로 천연 우라늄 물(중수)

물 연료확보 쉬움 중수확보 어려움 고속증식로 천연 우라늄 나트륨(

) 없음 폐기물을 연료로 재사용 안전성확보의 불안

② 핵융합

핵융합 가벼운 핵 → 무거운 핵(태양, 수소폭탄)  

 

 

  에너지

전하량보존법칙 : 질량수 보존법칙 : 질량결손에너지 (반응 전 질량 > 반응 후 질량) 질량결손량 =

 × 

 



 

  × 

 

 약 

● 핵융합 : 가벼운 몇 개의 원자핵이 핵반응으로 결합하여 무거운 원자핵으로 되는 일 ● 핵융합의 예 : 태양 중심부에서 일어나는 핵융합은 수수 원자핵과 수소 원자핵이 융합하여 중수소 원자핵이 되 고, 중수소 원자핵과 중수소 원자핵이 융합하여 헬륨 원자핵을 구성하는 과정들로 이루어진다.

(20)

물리학Ⅰ

3. 방사선의 종류

종류 본질 전하량 표현 투과력 방출시기 -선 헬륨 원자핵 +2e

약함 -붕괴 -선 전자 -e  

보통 -붕괴 -선 전자기파 없음 강함 -붕괴 핵붕괴 표현 결과 -붕괴 불안정한 원자핵이 알파입자(

)를 자발적으로 방출함으로써 여분의 에 너지를 방출하는 방사성 붕괴  

     

 

 

 

 

 

 

     

 





  

헬륨원자핵 방출 -붕괴 불안정한 원자핵의 중성자가 양성자를 만들고 전자, 중성미자를 방출하여 다른 핵종으로 변환하는 현상(원자내 양성자수가 1 증가하나 질량수는 변 화 없으며, 전자 1개와 중성미자1개를 방출)  

  

 

 





 →



 

 



 

  

 

 







 

 



전자 방출 -붕괴 불안정한 원자가 빛을 내 보내고 안정된 상태로 변하는 과정  

 

 

들뜬상태 안정된 상태 전자기파(선) 방출 방사선의 이용 ① 의료 분야 : 병의 진단과 치료, 의료 기구 살균 ② 공업 분야 : 비파괴 검사, 정밀 측정, 강화 수지 생산 ③ 농업 분야 : 식품 보존, 품종 개발, 지질․지하수 개발 ④ 그 외 : 연대 측정, 유해 물질 분석 범죄 수사

(21)

물리학Ⅰ [2014. 예비수능 17번 문제] 그림은 핵융합과 핵분열 반응을 모식적으로 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? <보 기> ㄱ. 23592 U의 질량수는 이다. ㄴ. ㉠에 해당하는 입자는 중성자이다. ㄷ. 두 핵반응에서 방출된 에너지는 질량 결손에 의한 것이다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ [2015. 6. 평가원 10번 문제] 다음은 핵반응에 대한 내용이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? [3점] <보 기> ㄱ. A는 핵분열이다. ㄴ. B에서 핵의 질량의 합은 반응 후가 반응 전보다 크다. ㄷ. C는 중성자이다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ [2016. 9. 평가원 16번 문제] 그림 (가)와 (나)는 핵융합 반응과 핵분열 반응의 예를 순서 없이 나타낸 것이다. (가) (나) 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? <보 기> ㄱ. (가)는 핵융합 반응이다. ㄴ. (가)에서 핵반응 전후 전하량의 합은 같다. ㄷ. (나)에서 핵반응 전후 질량의 합은 같다. ① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ [2013. 6. 평가원 17번 문제] 다음 (가)와 (나)는

He

원자핵을 생성하며 에너지를 방출하는 두 가지 핵반응식이다.

X는 어떤 원자핵이며,

Y는 어떤 핵자이

다. 표는 원자 번호와 질량수에 따른 원자핵의 질량을 나타낸 것 이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? [3점] <보 기> ㄱ. He의 중성자수는 4이다. ㄴ. (가)의 핵반응에서 결손된 질량은 이다. ㄷ.

Y는 양성자이다.

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ [2014. 수능 3번 문제] 다음 A와 B는 태양과 원자력 발전소에서 일어나는 핵반응을 순 서없이 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? <보 기> ㄱ. A에서는 질량 결손이 일어나지 않는다. ㄴ. B는 원자력 발전소에서 일어나는 반응이다. ㄷ. (가)의 질량수는 2이다. ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ

(22)

물리학Ⅰ [2017. 9. 평가원 9번 문제] 다음 (가)와 (나)는 원자핵 X를 생성하며 에너지를 방출하는 두 가지 핵반응식이다. 표는 (가), (나)와 관련된 원자핵의 질량을 나 타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? <보 기> ㄱ. X의 중성자수는 2 이다. ㄴ. (나)에서 핵반응 전후 질량수의 합은 같다. ㄷ. 이다. ① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ [2013. 9. 평가원 17번 문제] 다음은 원자로의 작동 원리를 소개하는 내용이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? <보 기> ㄱ. (가)는 중성자(n)이다. ㄴ. 크립톤(Kr)의 중성자수는 56이다. ㄷ. 핵반응 전과 후 입자들의 질량의 합은 서로 같다. ① ㄴ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ [2014. 9. 평가원 16번 문제] 그림은 우라늄(U)이 U→A→B→C→Ra으로 붕괴하는 과정 에서 각 원소의 양성자수와 중성자수를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? <보 기> ㄱ. A의 질량수는 144이다. ㄴ. D는 A의 동위 원소이다. ㄷ. 이 과정에서 베타() 붕괴는 3번 일어났다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ [2015. 수능 13번 문제] 다음은 원자핵이 방사선   를 방출하는 과정을 핵반응식 으로 나타낸 것이다.  U  Th +  ,  B  C +  ,  C  C +  이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것 은? <보 기> ㄱ. 는 중성자수가 양성자수보다 크다. ㄴ. 는 양(+)전하를 띤다. ㄷ. 인체가 방사선에 노출될 경우, 방사선의 종류나 에너지에 따라 인체에 미치는 영향이 다르다. ① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ

참조

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