[2028학년도] 수능 통합과학 예시 문항_16~20번 풀이
16. 다음은 전자기 유도 현상을 알아보기 위해 설계한 실험이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
이 실험은 자석이 코일 근처에서 움직일 때 코일을 통과하는 자기장이 변하면서 전류가 만들어지는 '전자기 유도' 현상을 다루고 있습니다.
유도 전류의 세기는 1) 자석이 강할수록(자기장의 세기가 셀수록), 2) 자석이 빠르게 움직일수록, 3) 코일의 감은 수가 많을수록 커집니다.
실험에서 자석의 개수가 서로 다른 A, B, C 세 그룹을 만든 것은 바로 첫 번째 조건인 '자기장의 세기'를 의도적으로 변화시킨 것(조작 변인)입니다.
ㄱ. 자석의 개수가 다른 A, B, C를 사용하는 것은 자기장의 세기를 서로 다르게 하기 위해서이다.
→ O(자석을 여러 개 겹칠수록 자석의 세기(자기장의 세기)가 강해집니다. 따라서 자기장의 세기가 유도 전류에 미치는 영향을 알아보기 위한 올바른 실험 설계입니다)
ㄴ. A, B, C를 놓을 때, N극을 아래로 하는 것은 자기장의 방향과 유도 전류의 세기 사이의 관계를 알아보기 위해서이다.
→ X(모든 자석의 N극을 아래로 똑같이 맞추는 것은 자기장의 방향이 실험 결과에 영향을 주지 않도록 동일하게 유지하는 '통제 변인'입니다. 만약 방향과의 관계를 알아보려 했다면, N극과 S극을 번갈아 가며 다르게 떨어뜨려야 하므로 틀린 설명입니다)
ㄷ. A, B, C를 놓는 높이를 h로 같게 하는 것은 코일을 통과할 때 전기 에너지로 전환되는 운동 에너지의 양을 서로 같게 하기 위해서이다.
→ X(낙하 높이 h를 같게 하는 진짜 이유는 자석이 코일에 도달할 때의 '빠르기(속력)'를 모두 똑같이 통제하기 위해서입니다. 자석의 개수(A, B, C)가 다르면 질량이 서로 다릅니다. 같은 높이에서 떨어지면 바닥에서의 속력은 같아지지만 질량이 무거울수록 가지고 있는 운동 에너지(1/2mv2)자체는 더 크기 때문에 운동 에너지의 양을 같게 한다는 설명은 명백히 틀렸습니다)
정답은 ㄱ으로, ①입니다.
💡 전자기 유도 현상에서 유도 전류의 세기에 영향을 미치는 요인을 묻는 동시에, 과학 탐구 실험의 기본인 '변인 통제' 능력을 평가하는 좋은 문항입니다. 낙하 높이를 같게 하면 '속력'은 같아지지만 질량이 다르기 때문에 '운동 에너지'는 다르다는 ㄷ 선지의 물리적 함정을 정확히 파악해야 합니다.
17. 그림 (가)와 (나)는 2억 6천만 년 전과 1억 년 전의 수륙 분포를 순서 없이 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
고생대는 약 5억 3,900만 년 전~2억 5,200만 년 전이며, 중생대는 약 2억 5,200만 년 전~6,600만 년 전입니다. 따라서 (가)는 여러 대륙이 하나로 합쳐진 초대륙 '판게아'의 모습이므로 2억 6천만 년 전인 고생대 말기에 해당하며, (나)는 판게아가 분리되어 현재와 비슷한 수륙 분포로 이동해 가는 과정이므로 1억 년 전인 중생대 중기에 해당합니다.
ㄱ. (나)의 시기에 생성된 지층에서 삼엽충 화석이 발견된다.
→ X(삼엽충은 고생대의 대표적인 해양 생물로, 고생대 말(약 2억 5200만 년 전) 초대륙 판게아 형성 등에 따른 급격한 환경 변화로 인해 완전히 멸종했습니다. 따라서 중생대인 (나) 시기(1억 년 전)에 생성된 지층에서는 삼엽충 화석이 발견될 수 없습니다)
ㄴ. (가)와 (나) 사이의 시기에 대멸종이 일어났다.
→ O((가) 2억 6천만 년 전과 (나) 1억 년 전 사이에는 고생대와 중생대의 경계(약 2억 5200만 년 전)가 포함됩니다. 고생대 말에는 초대륙 형성 및 대규모 화산 활동 등의 급격한 기후 변화로 인해 지구 역사상 가장 큰 규모의 대멸종(3차 대멸종)이 일어났으므로 올바른 설명입니다)
ㄷ. (나)의 시기 이후, 빙하기와 간빙기가 반복된 시기가 있었다.
→ O((나)는 중생대이며, 중생대 이후(약 6600만 년 전 이후)부터 현재까지는 신생대에 해당합니다. 신생대 전반적인 기후는 대체로 온난했으나, 신생대 후기에는 기후가 한랭해지면서 빙하기와 간빙기가 여러 차례 반복되었으므로 올바른 설명입니다)
정답은 ㄴ, ㄷ으로, ⑤입니다.
💡 지질 시대의 구분 기준 연도(고생대 말 2.52억 년 전, 중생대 말 0.66억 년 전)를 바탕으로, (가)와 (나) 시기가 각각 고생대 말과 중생대 중기임을 파악하는 것이 핵심입니다. 이를 바탕으로 삼엽충의 생존 시기, 고생대 말 대멸종의 원인, 신생대 후기의 빙하기 특징 등 지질 시대 전반의 핵심 개념을 융합적으로 연결할 수 있어야 합니다.
18. 그림 (가)는 힘 센서를 설치한 마네킹에 안전모를 씌운 후 속력 v0으로 벽에 충돌시키는 실험을 나타낸 것이다. 그림 (나)는 안전모 A, B, C를 이용하여 각각 (가)의 실험을 했을 때 힘 센서에 측정된 결과를 나타낸 것으로, 각각의 그래프와 시간 축이 이루는 면적은 서로 같다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
마네킹이 동일한 속력(v0)으로 충돌하여 정지했으므로 운동량의 변화량이 같고, 이는 곧 마네킹이 받은 충격량이 동일함을 의미합니다.
제시문에서 "각각의 그래프와 시간 축이 이루는 면적은 서로 같다"고 하였는데, 힘-시간 그래프에서 면적은 '충격량'을 뜻하므로 이를 다시 한번 확인시켜 줍니다.
그래프를 보면 충돌 시간은 A < B < C 순으로 길고, 최대 힘의 크기는 반대로 A > B > C 순으로 큽니다. 충격량(면적)이 같을 때 충돌 시간이 길어질수록 평균 힘(충격력)이 작아짐을 보여줍니다.
ㄱ. 마네킹이 받은 충격량/충돌 시간의 크기가 가장 작은 경우는 A를 이용한 충돌 실험이다.
→ X(제시문에서 세 그래프의 밑면적이 서로 같다고 명시하였습니다. 힘-시간 그래프의 넓이는 충격량을 의미하므로, A, B, C를 이용한 모든 실험에서 마네킹이 받은 충격량의 크기는 동일합니다. 따라서 틀린 설명입니다)
ㄴ. B를 이용한 충돌 실험에서, 마네킹의 운동량의 크기는 시간 일 때 가장 크다.
→ X(시간 t1은 B의 그래프에서 힘이 0으로 떨어지는 시점으로, 충돌이 완전히 끝나 마네킹이 벽에 부딪혀 정지한 상태를 의미합니다. 정지한 물체는 속도가 0이므로 운동량 역시 0이 되어 가장 작습니다. 운동량이 가장 큰 시점은 충돌하기 직전이므로 틀린 설명입니다)
ㄷ. 머리에 가해지는 충격을 줄이는 데에는 C가 A보다 효과적이다.
→ O(그래프에서 C는 A보다 힘이 작용하는 충돌 시간이 깁니다. 충격량(힘×시간)이 일정할 때, 충돌 시간이 길어지면 마네킹이 받는 평균 힘(충격력)의 크기가 작아집니다. 따라서 C를 이용할 때 머리에 가해지는 힘을 더 줄일 수 있으므로 올바른 설명입니다)
정답은 ㄷ으로, ②입니다.
💡 힘-시간 그래프에서 곡선 아랫부분의 넓이가 '충격량'을 의미한다는 물리적 개념을 이해해야 합니다. 또한, 전체 충격량이 일정할 때 푹신한 재질 등을 통해 '충돌 시간'을 늘려주면 물체가 받는 '힘(충격력)의 크기'를 줄일 수 있다는 자동차 범퍼나 안전모의 과학적 원리를 묻는 핵심 문항입니다.
19. 표는 이중나선구조 DNA의 모형을 만들기 위해 준비한 당, 인산, 염기, 결합선 부품 각각의 개수를, 그림은 완성된 DNA 모형 X를 나타낸 것이다. X는 표의 부품으로 만들 수 있는 정상적인 이중나선구조 DNA 모형 중 뉴클레오타이드의 수가 가장 많은 모형이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
DNA의 기본 단위체인 '뉴클레오타이드'는 인산, 당, 염기가 1 : 1 : 1의 비율로 결합하여 만들어집니다.
DNA 이중 나선 구조에서 염기는 항상 아데닌(A)과 타이민(T)이 짝을 이루고, 구아닌(G)과 사이토신(C)이 짝을 이루는 '상보적 결합'을 합니다.
뉴클레오타이드 수가 가장 많은 정상적인 이중 나선 모형(X)을 만들기 위해서는 짝이 맞는 염기 쌍을 최대로 구성해야 합니다.
A-T 염기 쌍: 준비된 A(15개)와 T(20개) 중 개수가 적은 쪽인 15개에 맞추어 최대 15쌍(총 30개의 뉴클레오타이드)을 만들 수 있습니다.
G-C 염기 쌍: 준비된 C(13개)와 G(25개) 중 개수가 적은 쪽인 13개에 맞추어 최대 13쌍(총 26개의 뉴클레오타이드)을 만들 수 있습니다.
즉, 완성된 모형 X는 총 28쌍, 즉 56개의 뉴클레오타이드로 이루어집니다. 뉴클레오타이드가 56개이므로 인산과 당 역시 각각 56개가 필요한데, 이는 준비된 부품 개수(당 63개, 인산 58개) 이내이므로 모형 제작이 가능합니다.
ㄱ. 핵산의 기본 단위체는 염기이다.
→ X(DNA와 RNA 같은 핵산의 기본 단위체는 염기 단독이 아니라 인산, 당, 염기가 결합한 '뉴클레오타이드'이므로 틀린 설명입니다)
ㄴ. X에서 인산의 총개수는 56개이다.
→ O(앞선 분석을 통해 모형 X는 총 56개의 뉴클레오타이드로 이루어져 있음을 확인했습니다. 하나의 뉴클레오타이드에는 1개의 인산이 포함되므로, 사용된 인산의 총개수는 56개가 맞습니다)
ㄷ. X에서 구아닌과 상보적으로 결합한 염기의 총개수는 13개이다.
→ O(구아닌(G)과 상보적으로 짝을 이루어 결합하는 염기는 사이토신(C)입니다. 모형 제작 시 G-C 쌍을 최대 13쌍 만들었으므로, 구아닌과 결합한 사이토신(C) 역시 전부 13개가 사용되었습니다. 따라서 올바른 설명입니다)
정답은 ㄴ, ㄷ으로, ⑤입니다.
💡 DNA의 단위체인 뉴클레오타이드의 구성 비율(당:인산:염기=1:1:1)과 염기의 상보적 결합 원리(A=T, G=C)를 정확히 이해해야 합니다. 이를 바탕으로 한정된 개수의 부품을 조합하여 만들 수 있는 최대 염기 쌍의 수를 논리적, 수학적으로 계산해 내는 융합적 사고력을 묻는 고난도 문항입니다.
20. 다음은 지구 표면에서 구슬의 운동에 대해 알아보는 실험이다. 중력이 지구보다 작은 행성의 표면에서 이 실험 과정을 동일하게 수행했을 때의 결과로 가장 적절한 것은?
[지구에서의 실험]
① 연직 방향 (아래로 떨어지는 운동): 공기 저항을 무시할 때 지표면 근처에서 운동하는 물체는 아래쪽으로 오직 '중력'만을 받습니다. 따라서 A와 B 모두 아래쪽으로는 속도가 일정하게 증가하는 가속도 운동(자유 낙하 운동)을 합니다. [실험 결과] 모눈종이를 보면 A와 B는 떨어질 때 항상 같은 높이(가로줄)에 위치하고 있음을 알 수 있습니다.
② 수평 방향 (옆으로 나아가는 운동): 구슬 B는 수평 방향으로는 아무런 힘이 작용하지 않기 때문에 속도가 변하지 않는 '등속 운동'을 합니다. [실험 결과] 모눈종이를 자세히 보면 B는 0.1초마다 옆으로 정확히 2칸씩 일정한 간격으로 이동하고 있습니다.
[새로운 조건 적용: 중력이 작은 행성]
① 연직 방향의 변화: 행성의 중력이 작아졌으므로 구슬을 아래로 당기는 힘이 약해집니다. 따라서 구슬이 아래로 떨어지는 가속도가 줄어들어 같은 0.1초 동안 지구에서보다 더 짧은 거리(촘촘하게)를 떨어지게 됩니다. 단, 중력이 작아졌어도 A와 B는 똑같이 중력을 받으므로 여전히 둘의 낙하 높이는 항상 같아야 합니다.
② 수평 방향의 변화: 중력은 수평 방향의 운동에는 전혀 영향을 주지 않습니다. 수평으로 던진 처음 속력 v0가 똑같으므로, B는 여전히 옆으로 똑같이 2칸씩 이동해야 합니다.
① X(B가 가로로 1.5칸씩 이동하므로 틀렸습니다)
② X(B가 가로로 2칸씩 이동하지만 아래로 떨어지는 간격이 20-1의 원래 지구 실험과 똑같으므로(중력이 줄어들지 않았으므로) 틀렸습니다)
③, ④ X(A와 B가 아래로 떨어지는 높이가 서로 다릅니다. A와 B는 항상 연직 방향으로 같이 떨어져야 하므로 틀렸습니다)
⑤ O(B가 옆으로 정확히 2칸씩 이동하고 있으며(수평 속력 동일), A와 B가 항상 같은 높이에서 떨어지되 원래 실험보다 아래로 떨어지는 간격이 훨씬 촘촘해졌습니다(중력이 작아짐). 두 조건을 모두 완벽하게 만족합니다)
정답은 ⑤입니다.
💡 수평으로 던진 물체의 운동은 수평 방향(등속 운동)과 연직 방향(자유 낙하 운동)이 완전히 독립적으로 일어난다는 물리적 사실을 완벽히 이해해야 합니다. 중력이 작아지면 오직 '연직 방향으로 떨어지는 거리'만 줄어들고, '수평 방향으로 나아가는 거리'는 그대로 유지된다는 점을 모눈종이 칸 수를 통해 논리적으로 찾아내야 합니다.