4. 과 학
1. (1)석유, 석탄, 천연 가스 등의 화석 연료는 앞으로 100여 년만에 그 사용 가능 연수의 한계가 드러난다. 이에 대한 대체 에너지로 수소-산소 연료가 관심을 끌고 있다. 이 연료의 반응 원리와 그 장점 및 단점에 대해 설명하시오
수소- 산소 연료 전지는 연료인 수소와 산화제인 산소를 반응시켜 물이 형성되는 반응을 이용한 것이다. 수소는 백금이나 필라듐 촉매를 입힌 다공성 전극인 (-)극을 통해서 확산되어 들어가고 산소는 은이나 산화코발트를 입힌 (+)극을 통해서 확산되어 들어간다. 두 전극은 NaOH나 KOH 수용액으로 분리되어 있다.
(-)극의 반응 : 2H2 + 4OH- → 2H2O + 4e- (산화)
(+)극의 반응 : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (환원)
전체 알짜 반응은 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되는 반응이 된다.
2H2 + O2 → 2H2O
장점 : 수소-산소 연료 전지는 우주선 안에서 사용하는 동력의 공급원이 되며, 무게가 가벼울 뿐만 아니라 부산물로 음료수까지 만들어 주어 우주선 이용에 적합하다. 물이 생성되므로 화석 연료가 연소할 때처럼 오염 물질을 내놓지 않기 때문에 환경을 오염시킬 염려도 없다.
단점 : 수소를 만드는 데 많은 비용이 들고, 수소의 폭발성을 방지하면서 안전하게 저장할 수 있는 방법의 연구가 시급하다.
사용 가능한 곳 : 송전 궤도가 필요 없는 전철, 배기 가스를 뿜지 않는 자동차, 소리 없는 발전기, 우선을 위한 가벼운 동력원 등
(2) 얼음의 밀도가 4℃의 물보다 작고 물이 얼 때 부피가 늘어나는 이유를 설명해 보시오.
얼음에서는 물 분자들이 위의 그림과 같이 빈 공간이 많은 육각형 모양의 결정을 이룬다. 얼음 결정 안의 각 산소 원자는 4개의 수소 원자와 결합하고 있는데, 그 중에서 2개는 결합 길이가 0.099nm로 보통의 공유 결합을 이루고 있으며, 다른 2개의 결합 길이는 0.177nm로 수소 결합을 이룬다. 이와 같이 물 분자가 얼음이 되면 수소 결합으로 성글게 모여 육각형 결정을 이루므로 부피가 늘어나다가 녹아 물이 되면서 수소 결합의 일부가 끊어져서 물 분자들이 비어 있는 공간을 채우기 때문에 물의 밀도는 4℃까지 계속 증가하다가 온도가 더 올라가면 분자 운동으로 인해 물의 부피가 증가하기 때문에 밀도가 다시 감소한다.
(3) 환경 호르몬(내분비계 장애물질)이 어떤 것이며 생물체에 미치는 영향과 그 종류 및 생활 속에서 환경 호르몬을 피하는 방법에 대해 설명해 보시오
환경 호르몬이란 내분비계 교란물질로 생명체의 내분비계의 정상적인 기능을 방해한다. 인체에 미치는 영향으로 정자수 감소, 성기 기형의 증가, 호르몬 관련성 암의 증가 등의 현상을 나타낸다.
환경 호르몬의 종류에는 쓰레기 소각장이나 고엽제의 성분 등에서 나오는 다이옥신, 전기 절연제로 쓰이는 PCB(폴리염화비페닐), 합성수지 원료, 식품과 음료용 캔의 안쪽 코팅에 쓰이는 비스페놀 A, 플라스틱 식기에 쓰이는 폴리카보네이트, 살충제인 DDT, 컵라면 용기를 비롯한 각종 식품 용기에 쓰이는 스티렌 다이머/스티렌 트리머 등이 있다.
생활 속에서 환경 호르몬을 피하는 방법으로는, ① 컵라면은 가급적 피한다, ② 농약을 사용하지 않은 유기 농산물을 먹는다, ③ 플라스틱 속의 비스페놀은 뜨거운 물이나 기름을 넣으면 용출이 잘된다. 그리고 플라스틱으로 된 급식판 등은 헌 것일수록 환경호르몬 용출의 가능성이 높다, ④ 육류는 지방을 제거해서 요리하고, 생선은 지방이 많은 내장, 아가미, 껍질, 비늘 등은 먹지 않는 것이 좋다, ⑤ 돼지고지나 소고기 등은 170∼180℃ 정도로 지져 기름을 빼내어 먹는 것이 좋고, 닭고기는 뜨거운 물에 삶아내어 요리하는 것이 좋다. (개금고ㆍ김해경)
2. 지구대기를 정화시키는 요인에서 가장 큰 역할을 하는 것은 비라고 생각된다. 비의 생성 과정에 대하여 논하시오.
지표의 기압이 저기압이거나 태양에너지에 의하여 가열되면 상승하게 되고 상승한 공기는 단열팽창하며 공기내부에 열이 일로 변하며 열의 소모가 일어나 내부온도가 하강한다.
결국 습도가 증가하여 100％에 달하면 포화상태에 달하고 응결하게 된다.
이와 같이 대기상공에서 공기가 응결한 것이 구름이다. 구름이 있으면 종류에 따라 다양한 비가 온다.
한편 하늘에서 하강한 비는 지표에서 호수 호소 지하수 강물등 다양한 형태를 취하며 중력에 의하여 낮은 곳으로 이동하여 결국 바다로 모인다.
바다의 엄청난 물은 태양에너지를 받아 증발을 하며 대기상공의 구름이 되고 구름은 이동하여 많은 량이 되면 비가 되고 지표로 다시 오는 순환을 한다. (건국고ㆍ김복환)
3. 우리 몸에는 왜 주름진 곳이 많을까-
우리 몸의 구조를 자세히 살펴보면 주름이 진 곳이 상당히 많다는 것을 알 수 있다. 그러면 왜 주름이 졌을까- 주름진 곳의 기능과 관계가 있다고 생각된다. 우리 몸의 구조 중 주름진 곳과 그 곳의 기능을 알아보기로 하자.
첫째, 작은 창자의 공장부위에는 융털이라는 구조가 발달되어 있는데 이는 창자벽이 돌출하여 주름진 곳이다. 융털의 총 표면적은 200m2 으로 테니스장의 면적과 거의 같고 사람의 체표면적의 100배가 넘는다. 이렇게 표면적을 넓힘으로써 소화된 양분과 접촉 기회를 많이 가져서 보다 많은 양분을 흡수한다.
둘째, 허파에는 허파의 표면이 안쪽으로 들어가 주름진 폐포라는 구조가 있다. 폐포는 양쪽 폐에 약 3억개 정도가 있고 표면적은 약 160m2 로 공기와의 접촉 면적을 넓힘으로써 외기와 혈액사이의 기체교환을 원활하게 해준다.
셋째, 대뇌의 피질부위에는 회선(回旋)이라는 주름이 진 구조가 있다. 대뇌피질에는 약 100억개가 넘는 신경 세포체가 분포함으로써 대뇌의 기능을 강화시켜 준다.
넷째, 모세혈관은 실처럼 가늘게 분화되어 다른 부위의 주름진 것과 같은 효과를 나타낸다. 모세혈관의 총 연장 길이는 8만Km 이고 총 단면적은 800 ∼1,000m2 나 되므로 조직과 혈액사이에서 물질교환을 보다 쉽게 해준다.
위와 같이 우리 몸의 각 부분은 기능과 역할을 강화, 촉진시키는 방법으로 몸의 각 부분을 주름지게 하여 표면적을 넓혔다고 볼 수 있다.(경혜여고)
4. 생명 현상에서 핵심적 기능을 담당하는 물, DNA, 단백질은 모두 수소 결합을 하고 있다. 수소 결합을 함으로써 어떤 중요한 역할을 할 수 있는가?
수소 결합은 두 사람이 손을 잡고 화합을 하는 정도의 약한 결합으로 공유 결합 세기의 약 10분의 1 정도이며 밸크로(빽빽이)를 떼는 정도의 에너지이다. 따라서 체내에서 적은 에너지로도 자유자재로 결합, 분해되면서 중요한 생명 활동을 가능하게 한다. 상온에서 물이 액체로 존재할 수 있고, DNA가 복제 및 전사가 가능하고, 단백질이 기능을 가질 수 있는 것은 모두 수소 결합 때문이라 할 수 있다. 만약 모든 생체 화합물의 구조가 나사못으로 이어진 것처럼 견고하기만 하다면 생명의 유연성과 다양성을 기대하기는 힘들 것이다.
♧ 해설
- 물 분자 내에서의 산소와 수소는 공유 결합이라는 아주 강한 결합이지만 다른 물분자와의 사이에서는 수소 결합을 하고 있어 상온에서 액체로 존재할 수 있고 용매로서의 기능을 수행할 수 있다. 물을 끓여 수증기 기체로 만드는 것은 이 약한 결합을 열로 깨뜨리는 과정으로 생각할 수 있다. 만약 이 수소 결합이 없었다면 인체의 약 70%를 차지하는 물은 물론이고 생명체 또한 존재하지 않았을 것이다.
- DNA의 두가닥 사슬은 마주보는 염기들이 수소 결합을 하고 있다. 만약 공유 결합으로 단단히 결합돼 있다면 DNA를 복제해서 자식 세포에게 물려줄 때나, DNA의 유전 정보를 RNA로 전사하기 위해 이중 나선의 어떤 부분을 두개의 가닥으로 벌릴 때 엄청난 양의 에너지가 필요하겠지만 다행히도 수소 결합을 하고 있어서 적은 양의 에너지로도 염기들의 결합을 쉽게 떼어낼 수 있어 복제 및 전사가 가능하다.
- 단백질의 기능은 수백개에 이르는 구성단백질의 아미노산들이 3차원으로 꼬이고 겹치는 3차 구조가 중요한데, 수소 결합은 바로 이 아미노산들을 가볍게 얽어매 주어 유용한 3차 구조를 만들어 각기 맡은 특수한 기능을 담당하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. (양운고ㆍ고봉수)
5. 생명 복제 기술의 정치적 제한에 대한 자신의 견해를 말하시오.
저는 정치적으로 제한될 수 없으며 제한되어서도 안 된다고 생각합니다.
생명 복제 기술은 단순한 기술 개발의 의미만을 가지는 것이 아니라 우리의 삶을 전반적으로 바꿀 수 있는 힘을 가지고 있습니다. 인류의 미래가 어떤 모습을 띠게 될 것인지에 큰 영향을 미치는 기술인 만큼 그것은 우리 사회에 새로운 패러다임을 가져다 줍니다. 이러한 시대 변화의 흐름이 정치권에 의해 또는 지배권에 의해 조정될 수 없음은 이미 인류의 역사가 잘 보여주고 있습니다. 위로부터의 개혁이 진정한 개혁이 될 수 없었던 것과 같은 맥락의 문제라고 생각합니다.
그리고 생명 복제 기술은 윤리적인 문제와도 접해 있으며 따라서 인간의 인권을 침해할 수도 있다는 문제점을 가지고 있습니다. 또한 생명 복제 기술이 선진국에 의해서 독점될 가능성이 지배적이라는 점에서 보면 이것은 새로운 제국주의를 야기할 수도 있습니다. 그리고 그 기술을 가진 선진국 안에서도 부자와 빈자 사이의 차이가 더욱 벌어질 수 있습니다.
이렇게 복제 기술이 인권 혹은 평등과 관련이 있는 문제인 이상 이 것은 정치적 조작이 가해져서는 안 되는 문제이며 시민들의 생각과 힘으로 해결방안이 모색되어야 합니다. 남한의 한 단체에 의해 북한에 옥수수에 관련된 기술이 전해져서 북한 사람들에게 실질적인 도움을 줄 수 있었던 예에서 볼 때 이러한 방법은 무척 희망적임을 알 수 있다고 생각합니다. (국제고ㆍ강병수)
6. 인간 복제는 현대 과학의 꽃인가, 생명의 존엄성 훼손인가?
공상 과학 영화 〈가다카〉속의 이야기는 인간 복제가 생명의 존엄성을 얼마나 위협할 수 있는가를 예언하고 있습니다. 영화는 유전자 조작으로 우성 인자만을 보유한 사이보그가 유전자 조작이 불가능해 열성 인자를 보유한, 사랑의 결실로 태어난 인간을 지배하는 사회의 모습을 보여 주고 있습니다. 생명체를 경제적 차원으로 이용하는 바이오 캐피털리즘(생명 자본주의)은 이런 종말을 가져올 것이라고 경고하고 있습니다.
인간의 생명이 신의 창조물이라는 견지에서 복제 기술을 신의 영역에 도전하는 '바벨탑의 교만'이라고 지적하는 종교계의 견해를 굳이 인용하지 않더라도, 생명 자본주의는 결국 상업주의로 흘러 남녀 간의 자연스런 성 결합을 전제로 한 가족 공동체의 파괴, 품질 관리 표준에 따라 상품화시킨 '맞춤 인간', 우수 형질만이 존재해야 한다는 파시스트적 우생학 등으로 이어져 인간 생명의 존엄성과 개성은 사라질 것입니다. 인공 수정을 포함, 유전자 조작 실패로 한 해에만 수 톤식 버려지는 배아, 복제 시술 오류로 인한 변종 인간의 출현, 동물에서 키운 장기 이식시 우려되는 거부 반응과 바이러스 감염, 유전자 변형 생물체의 생태계 파괴 및 교란, 유전적 동일성 해체로 인한 진화 중단과 면역력 약화 등도 피하기 힘들 것입니다.
유전자 정보가 인간 차별의 도구로 전락해 발병 위험이 낮은 사람을 고용하는 '맞춤 고용', 사망 확률이 높은 사람과는 계약하지 않는 '맞춤 보험' 등이 성행하는 등, 인간 복제는 어쩌면 21세기의 새로운 골품 제도가 될 가능성마저 있습니다.
♧ 해설 인간 복제는 화학 공업, 식품 공업, 농축 산업 등 유전자를 이용한 실용적 가치를 우선할 때 찬성론자의 입장에, 생명의 존엄성이라는 윤리적 가치를 우선할 때 반대론자의 입장에 서게 된다. 어느 입장에 서더라도 주장에 따르는 합당한 근거를 논리적으로 제시할 수 있어야 한다. (금성고ㆍ이호종)
7. 유전자 조작의 문제점을 설명하시오.
유전자 조작 기술을 식품이나 농산물 등에 응용하게 되면 생산성을 올릴 수 있음은 두말할 나위가 없습니다. 그래서 인류의 식량문제 해결에 도움이 될 수는 있으나 유전자 조작에 의해서 삽입된 새로운 유전자가 항상 이론대로 그 성질을 나타낸다고 할 수 없으며, 자연적으로는 절대로 일어날 수 없는 종들 사이에 교배가 일어나 미처 예상치 못한 갖가지 부작용이 발생할 수 있습니다.
예를 들면 붉은 색 페츄니아 꽃을 만들기 위해 넣어 준 유전자가 작물의 성장을 저해할 수 있으며, 미생물이나 세균에서 옮겨 온 유전자를 이용하여 인간에게 유용한 물질을 만드는 과정에서 우리가 알지 못하는 또 다른 해를 끼칠 수도 있습니다. (낙동고ㆍ정태규)
8. 작업치료학이란 무엇이며, 작업치료의 궁극적인 목표는 무엇인가?
작업치료는 육체적 상해 또는 질병, 선천적 장애, 노쇠 현상, 그리고 정신적 감성적 질병에 의해서 일상생활의 수행능력이 손상되었거나 약화되어진 사람들을 위하여 개개인의 수행능력에 맞게 서비스를 제공하는 의료의 하나입니다.
작업치료의 목표는 각 개인이 독립적이고 생산적이며 만족스러운 생활을 성취하는 것을 도와주는 데 있습니다. 그 치료방법은 기능적 그리고 생산적인 활동들을 기본으로 하고 있습니다.
♧ 우리 나라 작업치료의 역사에 대해 간단히 말해보고 문제점도 지적해 보라.
1971년 11월 세브란스에 작업치료실이 소아 재활원에 개설되었고 이때 미국인 Pamela Woolcott가 작업치료사 양성을 담당했습니다. 그러나 실제로 작업치료를 개시한 것은 1972년 1월 21일부터였는데, 이 때의 작업치료 학생(작업치료 수련생)은 작업치료에 대한 지식 부족으로 또한 외국인 치료사는 언어 소통불능으로 환자를 이해시키기 어려웠습니다.
1976년부터 작업치료사 면허를 취득한 사람들에 의해 작업치료가 시작되었습니다. 이 때 치료를 받았던 화자들을 보면 척수 손상환자, 화상환자, 발달장애 환자 등이었는데, 이 환자들의 치료를 보면 splint의 착용으로 일상생활동작 증진 등의 기능적인 측면과 기본적인 근력 및 관절가동범위 등을 치료하였으며, 바둑 등을 활용하여 눈-손 협응이나 지각능력 등을 향상시키는데 활용하였습니다. 부산에서는 방수녀가 1971년부터 1980년부터 부산 메리놀병원에서 작업재활과 뇌성마비, 회배수염 환자의 작업치료를 수행하였고, 이때에는 주로 환자복을 제작하거나 수예공작, 제봉틀 등을 가르치기도 했습니다.
이미 세계 작업치료 연맹은 1954년에 10개국으로 시작하여 운영되고 있습니다. 우리 나라의 작업치료도 시작한 지 이제 40년의 역사를 가지고 있습니다. 1954년 당시 우리나라는 작업치료의 불모지였으며 전무한 상태였으나 현재는 200여명의 작업치료사가 활동하고 있습니다. 앞으로 많은 장애인들이 작업치료를 통하여 자립된 생활을 영위하고 살아가도록 작업치료를 더욱 활성화시켜야 할 것입니다. (남고ㆍ장윤식)
9. 올해 우리 나라에 극심한 가뭄이 지속되는 시기에 지리산 일원에서 인공 강우를 실시하여 각계의 비상한 관심을 불러일으켰다. 그러면 인공 강우는 어떠한 방법으로 만드는가?
중ㆍ고위도 지방에서 0℃ 이하의 아주 작은 물방울과 빙정들이 섞여 있는 구름에는 드라이아이스나 요오드화은을 빙정핵으로 뿌려 줍니다. 드라이아이스는 승화성 물질이어서, 승화시에 주위의 열을 흡수해서 상태가 변화하므로 주위의 온도를 낮출 수 있습니다. 따라서 드라이아이스를 구름층에 뿌리면, 이것에 접촉된 공기는 냉각되어서 많은 빙정이 생기고 성장하게 됩니다. 그래서 커진 빙정이 그대로 떨어지면 눈이 되고 떨어지다가 높은 기온에서 녹으면 비가 됩니다.
♧ 요오드화은이 빙정을 잘 만드는 까닭은?
요오드화은은 얼음과 가장 비슷한 물질로, 구름의 온도가 크게 낮지 않아도 빙정이 생기게 해 줍니다. 그래서 요오드화은을 구름층에 넣어 주면 자연 상태에서보다는 빨리 비나 눈을 내리게 할 수가 있습니다.
♧ 열대 지방에서 빙정을 만들려면 어떻게 해야 하나-
열대 지방처럼 구름층의 온도가 0℃ 이상이어서 물방울로만 이루어진 경우는 구름에 물방울을 뿌려 줍니다. 그러면 크기가 다른 물방울들이 떨어지는 속도의 차이에 의해 서로 충돌하여 큰 물방울로 성장하게 됩니다.
♧ 인공 강우의 문제점은?
첫째, 성공률과 경제성이 매우 낮다는 점이다. 실제로 여러 실험들을 종합한 결과, 적절한 조건에서 인공 강우를 실시하여 증대되는 효과는 불과 10∼20% 정도라고 한다.
둘째, 지구 규모의 물의 순환에 혼란을 일으킬 수 있다는 점이다. 특정지역에서 인위적으로 강수량을 늘리면, 다른 지역에서 강수량이 감소할 것이다.
셋째, 인공 강우는 인위적으로 비를 만드는 것이 아니라 기존의 구름에서 비를 내리게 하는 것이므로, 기본적으로 수증기를 다량 함유한 구름이 존재하고 있어야 한다. 그러므로 고기압의 영향으로 가뭄이 지속될 때, 인공 강우는 아무런 의미가 없는 것이다. (부산남일고ㆍ손좌호)
10. 두 대의 동일한 자동차가 같은 속도로 서로 달려와 정면 충돌을 한 경우와 같은 속도로 달려 커다란 벽에 부딪친 경우를 생각해 보자. 어-떤 경우에 충격력이 가장 클까-
결론은 두 경우는 같은 상황이다.두 경우 다 차는 밀리지 않는 상대와 부딪치며 급정거한다. 갑작스런 충격과 급격한 갑속이 동시에 나타난다. 니미이것을 이해하기 위해 우선 질량은 같지만 속도가 더 느린 차와 충돌했을 대와 속도가 더 빠른 차와 충돌한 경우의 결과를 생각해 보라. 속도가 더 느린 차와 정면으로 충돌했을 때는 충격 후에도 앞으로 계속 나갈 것이다. 이 충돌의 경우에는 소위 "탄력"이 있다. 그런 후 서서히 감속하여 정지하게 된다. 탄력없는 거대한 벽에 부딪치는 것보다는 낮다. 한편 빠른 속도의 차와 충돌할 때는 충격력도 더 커지며 감속이나 급정거보다 나쁜 결과가 나온다. 즉 덥썩 들려서 갑자기 뒤로 밀리는 "음의 탄성충돌"을 경험하게 될 것이다. 이때 얻는 큰 가속도는 고정된 벽에 부딪쳤을 때 잃는 감속보다 더 파괴적이다. 이번에는 마주오는 같은 질량의 더 빠르지도 느리지도 않고 꼭 같은 속도의 차와 충돌했다면 그 때는 더 이상 앞으로 나가지도 뒤로 밀리지도 않는다. 이 때는 고정된 벽에 부딪치는 것보다 나을 것도 못할 것도 없다. 어떻든 두 경우 다 급작스러운 정지를 하게 되니까. (대연고ㆍ정태용)
11. 한국 전산원의 '2001 국가정보화 백서'에 의하면 2000년 한국정보화 수준은 98년에 비해 무척 많이 높아졌지만(PC 1천 5백만대 보급), 연령별, 소득수준별 정보화 격차는 오히려 심화되고 있다고 한다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하시오.
1천5백만대의 PC가 보급돼 있다는 것은 무척 고무적인 일이다. 그러나 실질적으로 어느 정도 활용되고 있는지 의문이다. 이용자들은 대부분 주로 게임이나 문서작성 등에만 PC를 사용하고 있는 실정이다. 따라서, PC보급률 자체가 중요한 것이 아니라 PC를 얼마나 잘 활용하느냐가 정보화의 관건임을 잊어서는 안된다.
연령ㆍ학력ㆍ소득ㆍ직업간 정보화 격차가 심화된 것으로 나타난 것은 정보화에서도 빈익빈, 부익부의 양극화 현상이 생겼다는 것이다. 이는 우리의 정보화가 지나치게 이익 중심, 상업 중심으로 흐르다보니 필연적으로 나타나는 부작용이라고 할 수 있다. 이런 현상이 지속되면 아무리 훌륭한 정보고속도로를 닦아 놓아도 정보지불능력이 있는 계층과 그렇지 못한 계층간의 갈등과 격차만을 심화시킬 뿐이다. 우리나라도 이제 정보화의 양적 확대에만 신경을 쓸 것이 아니라 '정보민주화'에도 보다 많은 관심을 기울여야 할 때가 됐다고 본다.
또한, 정보화정책 방향을 국민 정보이용능력 향상과 정보이용환경 정비 등에 우선순위를 두어야 한다. 지금까지 우리의 정보화 정책은 공급자 중심적이고 기술편향적 정책위주로 시행돼온 것이 사실이다. 앞으로는 수요 확충과 이용자 중심으로 정책방향을 바꾸어야 하며 정부가 주도하는 정보화보다는 다양성과 창의성을 중시하는 민간 주도의 정보화로 옮겨가는 것이 바람직하다.
♧ 전공문항(사회학, 철학 계통).
국가 정보화 통계를 소재로 현재 우리사회의 정보화 실태를 올바르게 판단하는지의 여부와 소득의 균등 분배처럼 정보화도 균등화가 이루어질 수 있는지, 그 방법은 무엇인지에 대한 지식을 파악할 수 있음. (덕문고ㆍ김상기)
12. 물의 구조적 결합 특성으로 나타나는 성질을 열거하고 인체와 대기에 미치는 영향을 구조적 특성과 연관시켜 서술하시오.
물은 굽은형 분자구조이며 비대칭이고 극성분자이다.
특히, 분자와 분자 사이에는 수소 결합(강한 인력)을 함으로써 다음과 같은 특성을 가진다.
<※물분자구조 - 수소결합 - 수소결합한 얼음구조>
가. 물의 특성
① 끓는점, 녹는점이 높다.
② 비열이 크다.
③ 극성 물질을 잘 녹인다.
④ 표면 장력이 크다.
⑤ 융해열과 기화열이 크다.
⑥ 얼면서 부피가 커진다.
⑦ 자연 조건에서 고체, 액체, 기체의 상태로 존재 할 수 있다.(끓는점, 어는점이 높기때문)
나. 인체에 미치는 영향
① 물은 비열이 크므로 체온을 일정하게 유지해준다.
② 끓는점이 높으므로 몸의 수분유지에 효과적이다.
③ 극성용매이므로 염(각종이온)을 용해시켜 운반자 역할을 잘한다.
③ 기화열이 크므로 체온조절을 원활하게 한다.
④ 극성용매이므로 염(각종이온)을 용해시켜 운반자 역할을 잘한다
다. 대기에 미치는 영향
① 수소결합(응집력)력으로 물이 지표면에 많이 존재 할 수 있다.
② 비열이 크므로 대기속의 수증기는 큰 열량을 갖고 있어 밤과 낮 기온차이가 작아진다.
③ 기화열과 융해열이 크므로 육지와 해양의 대기 순환을 원활히 한다.
④ 얼면서 물위에 뜨므로(∵물보다 열전도가 좋아서) 강수량을 많게 하고 기온을 온화하게 한다.
(※ 한겨울에도 물속 깊은 곳에서는 수중생물이 잘 살 수 있다.) (데레사여고ㆍ이상원)
13. 생명공학은 살아있는 생물체를 이용하여 인간의 생활을 향상시키기 위해 유용한 물질이나 생물체를 만들어내는 기술을 말한다. 이러한 생명공학의 중요한 핵심 기술은 어떤 것이 있는지 간단하게 답하시오.
(1) 유전자 재조합
한 개체의 특정한 유전자를 잘라 내어 이것을 유전자 운반체에 결합시켜 다른 세포에 이식하여 특정 유전자의 형질이 발현되도록 하는 방법이다.
현재 당뇨벙의 치료제인 인슐린, 생장 호르몬, 항바이러스 제재인 인터페론 등이 이 방법으로 생산된다.
(2) 세포융합
종이 다른 두 종류의 세포를 융합시켜 두 세포가 갖는 장잠만을 지닌 새로운 종의 생물을 만드는 기술로 포메이토(감자+토마토), 단일 틀론 항체(암세포+림프구), 가지 감자 등이 있다.
(3) 핵 이식(핵 치환)
핵을 제거한 무핵의 난자에 핵을 이식시며 동일한 유전자 조성을 갖는 개체를 얻는 방법이다. 이 기술로 우리가 원하는 유전적 조성이 같은 복제 생물을 대량 얻을 수 있다. 이와 같이 단일 세포 또는 단일 개체로부터 무성적으로 생겨난 유전적 조성이 동일한 자손을 클론이라고 부르며, 핵 이식을 통해 클론을 덛는 과정을 클로닝이라고 한다.
(4) 조직 배양
생물체에서 조직의 일부나 세포를 분리시켜 인공 배양액에서 키워 유전적 조성이 같은 완전한 개체를 만드는 기술이다. 예를 들어 당근 쁘리에서 형성체의 일부를 떼어 내어 이 조직을 배지에서 키우면 미분화된 세포 덩어리인 캘러스가 된다. 이 캘러스를 다른 배지에 옮기면 뿌리, 줄기, 잎이 분화된다. 이것을 토양에 옮겨 심으면 완전하 개체로 생장한다.
♧ 해설
(1) 자연 상태에서의 유전자 재조합도 일어나는 수가 있는데 세균과 같은 원핵생물은 핵물질을 서로 교환하거나(접합) 바이러스가 숙주에 기생할 떼 새로운 DNA가 삽입(형질도입)되기도 하며 고등한 생물에서는 감수 분열시 유전자 재조합이 일어난다.
(2) 유전자 재조합은 농업의 수확량 증대나 품종 개량에 적용되기도 하고 가축에게 생장 호르몬 유전자나 기타 인간의 의도에 부합된 유용한 유잔자의 주입등에 이용된다.
(3) 클론은 단일 세포 또는 단일 개체로부터 무성적으로 생겨난 유전적 조성이 동일한 자손을 말한다.
(4) 핵이식은 우수한 품종의 개체를 신속하게 대량으로 얻을 수 있는 방법이다.
(5) 조직 배양 기술은 모든 생명 공학의 기본이 되는 기술이다. (부산동성고ㆍ 김병섭)
14. 운동의 상대성에 대해 설명하시오.
일반적으로 물체가 운동한다고 하는 것은 다른 물체를 기준으로 해서 멀어지거나 가까워지는 것을 보고서 알 수 있다. 만약, 기준이 없다면 물체가 운동하는지 또는 관찰자인 내가 운동하는 지를 구분할 수 없다. 따라서 관찰자가 볼 때 물체의 운동은 관찰자 자신을 기준으로 한 상대적인 운동일 뿐이다.
♧ 해설 :
물체가 운동한다고 말할 때 그 물체의 운동은 나에 대한 물체의 상대적인 운동이며, 또한 '내가 움직인다' , '내가 운동한다' 는 말은 땅에 대한 나의 상대적인 운동이다. 이렇게 운동이라 하는 것은 실제로 누가 움직이는가 보다 관찰자가 볼 때 물체가 어떻게 움직이는가 하는 상대적인 속도만을 알 수 있다.
보통의 경우, 우리는 땅에서 움직이는 일에 익숙해져 있기 때문에 모든 운동을 땅을 기준으로 말하게 된다. 그러나 땅은 태양을 기준으로 볼 때 정지하고 있지 않다. 태양은?...
그럼 실제로 누가 움직이고 누가 움직이지 않는 것일까- 그것은 무의미한 질문이다. 물체의 속도나 운동을 말할 때 그 기준을 정확히 말하면 될 것이다.
관측자가 움직이면서 다른 물체의 운동을 보면 정지해 있을 때와 다르게 보인다. 내가 어떤 속도로 움직이면서 나를 본다면 내가 정지해 있는 것으로 보이므로 나(관측 대상)의 속도에서 나(관측자)의 속도를 빼주어야 한다. 내가 다른 물체의 운동을 본다면 다른 물체의 속도에서 나의 속도를 빼주어야 한다. A를 관측자라 하고 B를 물체라 하면 A가 보는 B의 속도 vAB는
이와 같이, 물체가 운동한다고 하는 것은 다른 물체를 기준으로 해서 멀어지거나 가까워지는 것을 보고서 알 수 있다. 기준이 없다면 물체가 운동하는지를 알 수 있는 방법이 없다.
이렇게, 물체의 운동은 항상 상대적인 것이며, 기준을 정하지 않고 물체의 운동을 말하는 것은 오류를 가져올 수도 있다. (동인고ㆍ박태욱)
15. 그린(green)디자인에 대해서 설명하고 필요성과 대책에 대해서 말해 보시오.
(1) 그린디자인의 뜻
그린디자인은 말 그대로 녹색, 즉 자연을 위한 환경적 디자인을 말한다. 현대사회의 문명 발달로 필연적으로 파생되는 부산물, 생산과정의 산업 폐기물, 소비과정의 포장재 및 오염물, 제품의 수명이 다한 폐기물 등의 처리에서 지금의 수많은 고민거리를 인식하고 해결하려는 움직임이 그린디자인으로 나타난다. 산업혁명 이후 현대까지의 수많은 제품들은 생산과 소비에만 신경을 써 왔다. 기업은 오로지 많이 만들어 많이 파는 것에만 신경을 썼고, 소비자는 보다 편리하고 모양새 좋은 제품만을 추구하며 생활해 왔다.
또한 과학과 의술의 발달로 인구가 급격히 팽창하게 됨에 따라 자연의 자정능력을 넘어선 과도한 오염물질의 배출을 가져왔고 이것이 오늘날 우리가 직면하고 있는 환경오염 문제를 초래하고 있는 것이다.
(2) Green Design의 필요성
오늘날 산업사회의 필연적 부산물인 폐기물의 문제는 단순한 생활의 불편을 넘어서서 인류의 생존과도 직결된 문제이다.
환경 문제는 그 영향이 미치는 공간적 범위에 따라 크게 지구환경(Global environment), 지역환경(regional environment),지방환경(local environment)의 셋으로 나눌 수 있다.
일반적으로 지구환경이란 지구온난화같이 국경을 초월하여 전 세계적으로 공통된 문제를 말한다. 지역환경은 지구환경보다는 범위가 좁지만 배출국의 국경을 넘어 다른 나라에 영향을 미치는 산성비나 여러 나라에 걸쳐 흐르는 강물의 오염같이 두 나라 이상에 걸쳐 나타나는 문제이다. 지방 환경은 한 나라의 영토 내에서 일어나는 수질, 토양 및 대기오염 같은 문제를 일컫는다.
이런 환경문제는 생산과정에서 사용과정, 폐기과정까지 제품의 전 생애에서 유발된다. 그 제품이 다행히 자연 친화적인 재료로만 만들어진 것이라면 문제는 덜 심각할 것이나, 유감스럽게도 현대 공산품의 대부분이 복합재료로 생산되어 재활용 및 폐기에 문제가 생기는 것이다. 앞에서도 언급했듯이 자연의 자정능력을 이미 넘어선 상태에서 심각성이 있고, 무역 등 경제에 있어서도 국가 간 규제가 크게 늘고있는 추세이다.
(3) 대책
심각한 환경오염원으로 등장한 포장폐기물의 환경 친화적 전환을 위해 필요한 대안과 정책은 크게 다음의 세 가지로 나누어 볼 수 있다.
첫째, 포괄적 생산자 책임주의에 입각해서 미래를 준비하는 기업의 환경경영의 의지와 전략이 요구된다. 이는, 디자인 단계부터 고려되는 제품의 전과정평가, 리필 제품의 적극적 활용 등을 말한다.
둘째, 소비자들의 환경의식과 구매기준의 전환이 필요하다. 즉 소비자들이 시각적으로 화려한 제품과 고급스런 이미지만을 선택할 경우 그 어떤 대안도 유명무실해지기 때문이다.
셋째, 포장재 산업과 포장재 수거체계에 대한 합리적인 정부의 투자와 정책이다. 우리나라의 경위 폐기물의 낮은 재활용율을 고려할 때, 경제적 인센티브의 적절한 활용을 통해 포장재 산업의 전문화를 유도하고 포장 폐기물 수거체계에 대해 종합적이고 현실적인 대안을 모색하는 것이 시급한 것이다.
결국 포장폐기물의 환경 친화적 전환은 국내외에서 앞다투어 진행되고 있는 환경규제에 대한 기업의 대응일뿐만 아니라 시장경제의 지속 가능한 발전을 위한 첩경이다. (디자인고)
16. 엘리뇨 현상이 우리나라의 기후에 미치는 영향은?
적도 부근 동태평양 지역의 바닷물 온도가 올라가는 현상을 엘니뇨 현상이라고 합니다. 이 엘니뇨 현상은 세계 곳곳에서 다양한 기상 이변을 속출시키고 있습니다. 평소 열대 태평양에는 바람(무역풍)이 동쪽에서 서쪽으로 붑니다. 그런데 이 바람이 약해지거나 적도 반류가 강해지면 서태평양으로 흐르는 바닷물의 흐름은 약해지고, 이에 따라 동태평양 바닷물의 용승(서쪽으로 쓸려간 바닷물을 보충하기 위해 바다 밑의 찬물이 솟아 오르는 현상)이 약해집니다. 그 결과 일어나는 원리라고 볼 수 있습니다.
엘니뇨가 발생하면 비가 많이 내리는 지역이 동쪽으로 이동하기 때문에 서태평양 지역(특히 인도네시아 부근)에는 극심한 가뭄이 들고 남미 연안에는 호우가 발생합니다. 엘니뇨의 영향권은 비단 이 지역에 그치지 않고 지구 전체의 대기 순환에 영향을 미치기 때문에 전세계적으로 기상 이변이 속출합니다.
이러한 엘니뇨 현상에 의해 하강기류가 탁월하게 되는 곳이 태평양 고기압이 발달하는 부근입니다. 그 때문에 태평양 고기압이 발달하는 장소가 동쪽으로 밀리게 됩니다. 이것이 바로 우리 나라의 여름 날씨가 서늘해지고 비가 많이 오는 직접적인 원인입니다. 태평양 고기압의 발생 장소가 어긋나서, 우리 나라 동쪽에 습한 공기가 흐르게 되기 때문입니다.
♧ 엘리뇨 현상은 자주 거론되는 기상 용어이다. 이상 기온과 결부되어 얘기되기 때문에 최근에 발생하기 시작한 새로운 현상이라고 아는 사람이 적지 않다. 하지만 엘니뇨 자체는 옛날부터 있어온 현상이다. 다만 그 빈도가 잦아져 지구 생태계의 적신호로 주목되고 있는 것이다.
♧ 관련 질문
- 엘리뇨 현상이 우리 나라의 기후에 영향을 미치는 상세한 과정은?
- 사막화 현상에 대하여 설명해 보라.
- 지구 온난화 현상에 따른 해수면 상승에 대해 설명해 보라. (부산고)
17. 물분자의 구조에 관해 설명하고 물의 특이성에 대해 논하시오.
물은 두개의 수소원자와 한 개의 산소원자의 극성 공유결합으로 이루어진 물질이다. 대략 104.5도의 결합각을 갖는 굽은 구조를 하고 있으며, 수소와 산소의 전기음성도의 차로 인해 산소쪽이 -극을, 수소쪽이 +극을 띠는 쌍극자를 갖는다.
물이 갖는 이 극성 때문에 물은 아주 특이한 성질을 지닌다.
우선 물은 다른 물질을 녹이는 능력이 매우 크다. 따라서 지구상에 존재하는 거의 모든 원소를 녹일 수 있을 정도이고, 여러 가지의 공장폐수나 유기물도 녹일 수 있다. 다른 물질들에서는 잘 볼 수 없는 수소결합을 가지므로 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점과 끓는점이 높고, 액체가 얼어 얼음이 되면 오히려 부피가 커지고 밀도가 작아져서 장독이 깨지고 얼음이 물에 뜨는 현상이 나타난다. 또한 4oC의 물이 가장 밀도가 커서 겨울에 강물이 얼면 표면부터 얼고, 이 얼음이 냉기를 차단하므로 물이 바닥까지 완전히 얼어붙는 일은 없어 수중 생태계가 보전된다. 또한 힘을 가해 얼음을 물로 만들 수도 있으므로 스케이트를 즐길 수 있다. 다른 물질에 비해 비열이 크므로 대륙성 기후에 비해 해양성기후를 갖는 지역의 연중 기온 차가 덜하고, 밤과 낮에 부는 육풍과 해풍도 물의 이러한 성질 때문이다. 또한 몰증발열도 커서 식기 어렵고 증발하기도 어려운 액체이다. 그러나 일정한 온도에서 증발이 일어날 때는 많은 열을 빼앗아가므로 아프리카나 시베리아 지방에서도 생명체가 별 이상 없이 살아갈 수 있는 이유는 생명체를 이루는 주성분이 물인 까닭이며, 밤에 남아도는 전기로 물을 덥혀 두었다가 다시 터빈을 돌려 전기를 생산하는 이유도 이 때문이다.
해설 - 이 문제는 물의 구조에서 생긴 극성으로 인해 여러 가지 물의 특이성이 있음을 밝혀야하므로 물의 구조를 정확하게 설명하여야하고, 가능하면 그림을 곁들여 설명하면 좋다. 물이 갖는 특이성을 여러 면으로 나누어 조목조목 설명하고 그 예를 들고, 이러한 까닭에 물의 소중함과 수질오염에 대한 자신의 견해를 약간 밝히는 것도 좋은 점수에 도움이 되리라 생각한다. (부산여고ㆍ박춘성)
18. 텔레비전에 자석을 갖다 대면 화면이 휘어지는 이유는-
방안에 도선이 있다고 하자. 만약 이 도선에 직류가 흐른다면, 직접 만지지 않고 어떻게 이 사실을 확인할 수 있을까. 도선에 흐르는 전류는 눈으로 볼 수도 없다. 그렇다면 뭔가를 이용해야 하지 않을까.
이 문제를 해결하기 위해서는 중요한 과학적 사실을 알아야 한다. 전류가 흐르는 도선 주위에는 자기장이 생긴다는 사실을 말이다. 직선 전류에 의한 자기장은 전류에 수직한 평면 내에서 도선을 중심으로 동심원 모양으로 나타난다. 따라서 도선에 전류가 흐르는지를 확인하는 문제는 바로 자기장의 유무를 확인하는 것과 같다. 그렇다면 자기장을 간단하게 확인하는 방법으로 어떤 것이 있을까. 도선 근처에 나침반을 가져가 보는 것이다.
이것 외에도 다른 방법이 있다. 자석에 의한 자기장 내에 전류가 흐르는 도선을 자기장의 방향과 수직으로 갖다 놓으면 도선이 움직인다. 자기장에 의해 전류가 힘을 받는다는 말이다.
그런데 전류가 흐르는 도선 근처에도 자기장은 형성된다. 따라서 전류가 흐르는지를 확인하는 또다른 방법은 전류가 흐르는 도선을 문제의 도선에 가까이 가져가 보는 것이다. 전류가 흐르면 주위에 자기장이 생기기 때문에 전류가 흐르는 다른 도선에 힘을 작용한다. 반대로 가까이 가져간 도선에 의해 자기장이 형성되기 때문에, 문제의 도선이 전류가 흐른다면 힘을 받게 된다. 각 도선의 전류에 의한 자기장으로 서로에게 힘을 작용하는 것이다. 이때 두 도선은 전류의 방향에 따라 서로 끌어당기거나 밀어낸다. 전기장과 자기장이 서로 밀접하게 관련돼 있는 것이다. 이같은 힘을 전자기력이라고 한다.
한편 전류는 바로 도체 내의 전하를 띠고 있는 전자의 흐름이다. 따라서 전류가 흐르는 도선이 자기장 속에서 힘을 받는다는 사실은 곧 전자가 힘을 받는다는 것과 같다. 바로 이것이 텔레비전에 자석을 가까이 가져가면 화면이 찌그러지는 이유다. 텔레비전 브라운관 안에는 전자빔을 내는 '전자총'이 있다. 따라서 여기에 자석을 가져가면 전자빔이 힘을 받고 휘게 된다. 이때 자석의 역할은 전자의 흐름 방향을 변화시킬 뿐 속도를 변화시키지는 않는다.(부산정보여고ㆍ김옥임)
19. 수정 후 14일 이내의 '세포덩어리' 배아에서 줄기세포(간세포)를 떼어내어 배양, 복제할 수 있는데 영국에서 치료목적의 인공배아복제를 허용하자, 영국은 물론 전세계에서 인간배아복제는 인간복제로 이어질 수 있다는 비판이 제기되어 찬반논쟁이 거세게 일어나고 있다. 최근 논란이 되고 있는 인간배아복제는 긍정적인 측면과 부정적인 측면이 있는데, 인간배아복제에 대한 자신의 생각을 적어보시오.
(긍정적인 측면)
⑴ 무제한 적이고 부작용 없는 장기의 공급으로 이한 기증장기의 부족 문제를 해결하여 암, 당뇨병, 혈관질환, 퇴행성 질환 등의 불치병, 난치병, 환자의 치료에 획기적인 전기를 마련할 수 있다.
⑵ 생명공학기술의 발전으로 인한 경제적인 부와 국가 경쟁력의 신장을 기할 수 있다.
(부정적인 측면)
⑴ 배아복제로 인하여 생기는 생명경시 풍조와 인체의 기관(내장기관, 뼈, 눈, 귀 등)의 상품화로 인한 사회, 윤리적인 문제가 증대될 수 있다.
⑵ 한 인간으로서의 배아의 생명 존엄성이 문제될 수 있다.
⑶ 복제과정에서 생길 수 있는 돌연변이로 인하여 자연 생태계의 교란 및 위험성이 증대될 수 있다.(신도고ㆍ김천규)
20.
아래의 그림과 같이 A, B, C의 세 지점에 막대를 세웠다. A지점의 막대에 n개의 고리가 아래에서부터 크기 순으로 걸려 있다. 지금 이 n개의 고리를 하나도 빠짐없이 C지점의 막대로 모두 옮기려고 한다.
다음의 규칙에 의하여 옮길 때, 최소한 몇 번 움직여야 하는가?
<규칙>
(가) 한 번에 하나씩만 옮겨야 한다.
(나) 큰 고리가 작은 고리 위로 올라가는 것은 안된다.
(풀이)
f(n) : n개의 고리를 한 지점에서 다른 지점으로 옮기는 방법의 총수 (고리는 크기순으로 정돈 상태)
라고 하자. 주의할 것은,이 f(n)은 온갖 우여곡절(?)을 겪은 낱낱의 경우의 총수인 것이다. A지점의 가장 위에서 가장 아래의 직전까지의 n-1개를 지점 B로 옮겨 보자. 그렇다면 총가지수는 f(n-1) 이 될 것이다. A지점의 가장 아래의 고리(최종적으로 남아 있는 고리)를 지점 C로 옮기자. (이 때의 가지수는 분명코 1가지)
다시 지점 B의 고리 전부를 그대로 지점 C로 옮기자. 이 경우 역시 총가지수는 f(n-1)이 될 것이다. 따라서 n개의 고리는 모두 옮겨 졌으며 이 때의 총 움직인 회수는 f(n)=f(n-1) + 1 + f(n-1)
∴ f(n)=2f(n-1) +1
또한, f(1)=1, f(2)=3, f(3)=7,ㆍㆍㆍ 이므로 f(n)+1 = 2[f(n-1)+1]~(단, n=2,3,ㆍㆍㆍ) f(1)+1, f(2)+1, f(3)+1, ㆍㆍㆍ <-- 공비 2인 등비수열 ∴ f(n)+1= (f(1)+1)2n-1 =2n(n=1,2,3,ㆍㆍㆍ) ∴ f(n)= 2n-1(n=1,2,3,ㆍㆍㆍ)ㆍㆍㆍ
(신도고)
21. 비오는 날 승용차 안쪽 유리창에 김(성애)이 서리는 이유는 -
비오는 날에 차를 운전하는 경우 차 유리 안쪽에 뿌옇게 끼는 김을 제거하기 위하여 가지고 있던 샴푸를 얇게 발랐다. 그러자 창은 놀랍게도 깨끗해졌을 뿐아니라 더 이상 흐려지지도 않았다.
시간이 조금 지났을 때의 차창 안쪽 상태는 어떻게 될까- (단 강제 공기 순환 장치 등은 사용하지 않았다.)
유리창에 뿌연 김이 서리는 이유는 공기중의 수증기가 차가운 유리의 표면에 붙어서 작은 물 알갱이 형태로 남아 있게 되기 때문이다. 공기중의 수분이 차가운 유리창에 부딪히면 응축되고, 응축된 작은 물방울들은 빛을 산란, 굴절, 반사시켜서 유리창에 뿌연 서리를 만든다.
일반적으로 유리창에 샴푸액을 바르거나 비누액을 바르면 공기중의 수분이 샴푸액에 응축되어서 방울 형태로 있지 않고 녹아서 샴푸액을 희석시킨다. 즉 유리창에 얇은 물 막을 형성하는 것이다. 그렇게 되면 공기중의 수분이 계속 응축되어서 물 막이 두터워지게 되고 어느 정도 이상이 되면 아래로 흘러내리게 된다.
시중에서 판매하는 대부분의 김 제거제는 위와 같은 원리를 이용한 것들이다. 또한 뜨거운 바람으로 유리창을 가열시켜서 응축 현상이 일어나지 않도록 하는 것도 한 방법이다. 공기중의 수분이 따뜻해진 유리창에 부딪혀 열에너지를 흡수하게 되면 수증기는 분자의 열 운동이 더욱 활발해져 응축되지 않고 유리창에 뿌연 서리를 만들지 않는다. (혜광고ㆍ신동주)
22. 무반사 안경과 일반 안경 중 어느 쪽이 더 선명하게 보일까-
무반사 안경이 일반 안경보다 더 선명하게 보일 것이다라고 쉽게 생각할 수 있다. 왜냐하면 외부로부터 오는 빛을 적게 반사시킴으로써 빛의 투과율이 더 높아지기 때문이다라고 생각된다. 사실은 아니다. 반사가 없는 렌즈는 주로 유리(굴절률 1.5)의 표면에 MgF2(굴절률 1.38)와 같은 투명 물질로 얇게 코팅하여 만든다. 이는 빛의 간섭 현상을 이용하여 유리 표면에서 일어나는 반사를 현저히 감소시킨다. 아래의 그림에서와 같이 공기로부터 입사한 광선은 MgF2의 전면에서 일부(S1)반사 되며 또 일부(S2)는 유리의 전면(MgF2의 후면)에서 반사된다. 반사된 두 광선 S1, S2는 근접한 거리에서 서로 상쇄 간섭을 일으켜 소멸된다.
공기
S1
S2
MgF2 유리안경
그러므로 무반사 렌즈가 투명하게 보이는 것은 빛의 투과성이 높아서 그런 것이 아니라 투과성은 좀 떨어지더라도 (두 번 반사하기 때문에) 반사광선을 서로 소멸시켜서 상대방이 안경 쓴 사람을 선명히 볼 수 있다. 따라서 무반사 안경이 일반 안경보다 선명하게 보인다는 사실은 틀린다. 그리고 코팅(MgF2)을 렌즈의 양면에 동시에 하는 것은 빛의 투과성을 낮추는 역효과를 유발시킨다고 볼 수 있다. (혜광고ㆍ신동주)
23. 무중력 상태를 설명하고 이 상태에서 일어나는 현상들을 아는 대로 기술해 보시오.
지구나 태양과 같은 거대한 천체로부터 멀리 떨어져서 중력이 거의 미치지 않는 것과 같은 상태, 또는 지구의 중력권에 있으나 지구 주위를 일정한 속력으로 돌고 있는 인공 위성이나 지구의 중력에 의해 자유 낙하하는 엘리베이터(승강기) 내부 또는 추진력을 잃고 추락하는 비행기 안에서 물체의 무게를 재면 무게가 0이 되고 그 순간 모든 물체는 공중에 떠 있게된다. 이것은 물체에 중력이 작용하지 않는 것이 아니고, 중력과 크기는 같고 방향이 반대인 힘(관성력)이 작용하여 물체에 작용하는 중력과 비기기 때문에 중력이 작용하지 않는 것처럼 느끼게 되는 것이다. 이와 같이 중력이 작용하지만 느끼지 못하는 상태를 무중력 상태라고 한다.
무중력 상태에서는 위 아래의 구별이 없고 느낄 수도 없다. 그러므로 식물의 뿌리나 줄기의 중력에 대한 굴성이 나타나지 않아 사방으로 흩어져 자라게 된다. 공간에 놓은 물체는 낙하하지 않고 공중에 떠 있게 된다. 또 대류 현상이 일어나지 않기 때문에 촛불을 켜 놓으면 곧 꺼지고, 면도를 할 때는 미세한 먼지나 털을 흡수하는 장치가 부착된 면도기를 사용하여야 한다. 또한 분자간 인력은 작용하므로 용기속에 있는 액체를 솥아도 액체가 퍼지지 않고 완전한 구형을 이루게 된다. 그리고 용기를 흔들면 커다란 덩어리의 구형의 형태로 흩어져 날아가 버린다. 컵속에 물을 담아서 컵의 아랫 부분에 구멍을 뚤어 컵을 가만히 놓으면 컵의 낙하 속도와 물의 낙하 속도가 같으므로 물이 받는 중력이 컵에 힘을 미치지 못한다. 이 때, 물의 겉보기 무게가 0이 되므로 컵속의 물은 밖으로 물줄기를 만들지 못한다. 물체와 바닥 사이의 마찰 저항도 없어지기 때문에, 마치 얼음 바닥처럼 미끄러지기 쉽다. 액체 속에서는 거품이 떠오르는 일도 없기 때문에 거품을 없애려면 액체를 용기째 흔들지 않으면 않되는 상태가 일어난다. 엘리베이터의 줄이 끊어져 엘리베이터가 자유낙하할 경우 그 안에 타고 있던 사람은 바닥에서 분리되어 천장으로부터 받는 충격력 때문에 위험하다. My Way 영화의 한 장면에서 이 현상이 멋지게 연출되는 것을 볼 수 있다. 한편 물질을 결합시키는 경우에도 지구에서보다 훨씬 쉽다. 그 외 지상에서 일어나는 것과 다른 여러 현상들을 무중력 상태에서 우주인은 각종의 실험을 하고 있다. (혜광고ㆍ신동주)
24. 벼락은 왜 생기는 것일까-
<벼락의 원리> <방전(번개)현상>
여름에 차를 타고 야외로 놀라갔다가 예상치 않은 소나기를 만나는 경우가 종종 있다. 이때 하늘이 갑자기 어두워지고 번개와 천둥이 치면서 비가 심하게 내리면 자동차 안으로 들어가 비를 피하는 것이 유리한지 또는 불리한지 고민스럽다.
직관적으로 생각하면 차의 겉부분이 금속으로 되어 있어서 벼락이 칠 때 큰 전류가 흘러 매우 위험하리라고 생각되기 때문이다. 하지만 결론부터 얘기하면 자동차 안으로 들어가는 것이 비를 피할 수 있을 뿐만 아니라 벼락을 피할 수 있어 안전하다. 자동차 표면의 금속이 전류를 지면으로 흐르게 하는 역할을 하여 자동차 안이 오히려 안전한 것이다.
구름과 구름 사이의 마찰에 의해서 구름의 윗부분이 (+)전하, 아랫부분이(-)전하로 대전되면, 지면에 정전기 유도 현상이 일어나서(+)전하가 생긴다. 이 때 구름과 지면 사이에 수억 V의 큰 전위차가 생기고 구름과 지면사이의 공기 분자들이 전리되어 전하를 띠게 된다. 지구는 언제나 되풀이해서 충전받지 않으면 안 되는 거대한 전지와 같은 것이다. 구름이 없으면 어디에서나 마이너스로 대전한 대지에서 플러스로 대전한 상층 대기로 전기가 새어 나간다. 그리고 새어 나간 전기는 뇌운에 의해 대지에 되돌아온다. 뇌운은 잃어 버린 전기를 얻어서 저장한다. 하나의 구름은 정확히 그 아래에 있는 대지의 1억 배나 되는 전기를 모을 수 있다. 이 전자들의 무리가 구름에서 대지로 공간을 통해 한꺼번에 반대 전하 쪽으로 이동하여 순간적으로 최고 약 2만 A의 큰 전류가 흐른다. 이와 같이 대전된 구름과 그 반대로 대전된 땅, 또는 서로 다른 전기를 띤 구름들 사이에서 일어나는, 마치 자동차의 점화 플러그의 두 접점 사이에 고 전압에 의해 불꽃 방전을 일으키는 것과 같은 현상이 곧 벼락이다. 미국의 프랭클린을 벼락이 전류라는 사실을 알아내고 피뢰침을 발명하였는데 피뢰침은 금속 막대의 한쪽 끝이 높은 건물의 꼭대기에 나오도록 하고, 다른 끝은 지면 속에 묻어 전하가 금속 막대를 통하여 땅 속으로 나가게 한 장치이다. 전하는 물체의 꼭지점이나 뽀족한 곳에 많이 모이므로 산꼭대기 같은 곳은 벼락이 떨어질 확률이 크고, 상대적으로 계곡 바닥은 작다. 그러므로 번개가 치는 날 광할한 평지에서 우산을 쓰거나 긴 물체를 들고 있으면 위험하며 큰 나무 밑도 위험하다. 벼락이 칠 때 나는 소리가 천둥이고 빛이 번개이다. 천둥의 속력은 약 340m/s이고 번개의 속력을 3×108 m/s이므로 번개를 보고 얼마후 천둥소리가 들린다. 지구에는 매초 약 100회의 벼락이 떨어지고 있다. 하나의 번개는 전력이 37억 5000만 Kw나 된다고 한다. 벼락의 에너지 중 약 75%는 열로 소비되어 벼락이 지나는 공기의 온도를 약 1만 5000℃ 상승시킨다. 그래서, 폭발할 때와 비슷하게 공기는 급격하게 팽창한다. 이 팽창 운동 때문에, 약 30Km 떨어진 곳에서도 들을 수 있는 뇌성이 발생된다.
♧ 뇌운(雷雲) : 수직으로 발달한 커다란 구름, 쌘비구름이라고도 한다. 모양은 적운(積雲)과 비슷하지만, 수직으로 현저히 발달된 구름 덩이가 산이나 탑모양을 이룬다. 구름의 상층부는 빙정(氷晶)으로 이루어져 섬유 모양의 구조로 되어 있으며, 하부는 난층운(亂層雲)과 비슷하다. 구름 속에는 운하가 집적(集積)되어 있어, 운간방전이나 대지방전(낙뢰)이 일어 나기도 하고, 심한 소나기나 우박이 오기도 하므로 뇌운이라고도 한다. (혜광고ㆍ신동주)
25.
(1) 대기 수 백 Km까지 퍼져 있는 공기의 무게에 의해 나타나는 압력(1기압)의 크기는 고작 물기둥 10m 가 만드는 수압과 같은 크기이다. 이러한 결과를 이용하여 진공 펌프를 활용하여 우물물을 끌어올릴 수 있는 한계를 설명하고, 또한 스킨스쿠버가 바닷속 30m 깊이에서 잠수할 때 받는 압력을 대기압 단위로 계산하고, 사람 몸 1cm2당 미치는 압력의 크기는 몇 Kg중 인지 계산하시오.
1기압 = 물기둥 10m 가 만드는 수압이므로 진공 펌프를 아무리 강력하게 작동시켜도 진공을 만드는 정도이므로 우물면 위의 대기압과의 압력 차는 1기압이 한계이므로 물기둥 10m를 올릴 수 있으므로 10m이상 깊은 우물의 물은 진공 펌프 1개로는 절대 올릴 수 없다.
스킨스쿠버가 바닷속 30m 깊이에서 잠수할 때 받는 압력은 대기압인 1기압과 30m의 물이 누르는 수압인 3기압이 합하여 총 4기압의 크기로 나타나게 된다.
1cm2 단면적을 가진 물기둥 10m의 부피가 1000cm3이고 물의 밀도가 1이므로 총 무게가 1000g, 즉 1Kg중의 무게에 해당하므로, 4기압의 크기는 스킨스쿠버의 몸 1cm2당 미치는 압력의 크기가 4Kg중이 될 것이다.
(2) 인공위성의 궤도의 종류와 궤도에 따른 인공위성의 역할을 설명하고 우주개발의 필요성을 설명해 보라.
모든 인공위성의 공통점은 지구와 위성간에 서로 당기는 만유인력과 위성의 원운동에서 나타나는 원심력이 평형을 이루어야만 지구와의 일정한 거리를 유지하면서 지구 주위를 계속 선회할 수 있다.
인공위성은 궤도의 종류에 따라 극 궤도 위성, 적도 궤도 위성, 경사 궤도 위성의 3가지로 구분된다.
극 궤도 위성은 전 지구 표면 위를 비행할 수 있어 주로 군사/첩보위성으로 활용된다.
적도 궤도 위성은 적도 상공만을 비행할 수 있어 위성의 위치가 위도로는 변하지 않는 특징을 가진 궤도이다. 만일 지구 반지름의 약 6배에 해당하는 상공에서 원심력과 만유인력의 평형으로 운동하는 위성의 원운동 각속도가 지구자전 각속도와 크기가 같게 되므로, 지표면의 관측자가 인공위성을 관측하면 위도도 변하지 않고 경도도 변하지 않아 항상 상공에 정지되어 있어 보여 마치 매우 높은 하늘에 떠있는 중계탑과 같은 역할을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이러한 이유 때문에 방송/통신/기상 위성등 일상 생활에 매우 긴요하며 정지궤도가 필요한 위성은 전 세계가 이 궤도를 이용할 수밖에 없다.
왜냐하면 이 궤도 공간이 적도상공이면서 동시에 지구 반지름의 약 6배인 공간은 선과 같은 매우 제한된 공간이므로 국가 간의 공간 점유에 있어 경쟁을 유발하고 있다.
경사궤도는 과학이나 실험적인 위성 등을 사용하는 궤도에 해당한다.
미래에 반드시 필요한 환경이지만 지상에서는 도저히 실현 불가능한 산업환경인 거의 완벽한 진공과 무중력 상태가 우주공간에서는 가능하므로 우리나라가 조속히 우주 개발에 박차를 가해야한다.
(3) 우리나라 주변에서 발생하는 기단의 특징과 계절에 따라 미치는 기단을 설명하라.
시베리아 기단, 양쯔강 기단, 북태평양 기단, 오호츠크해 기단이 우리나라 주변에 영향을 주는 기단이다.
각 기단의 발생 장소의 특징에 의해 대륙에서 발생하는 기단은 건조하며 해양에서 발생하는 기단은 다습하고, 북쪽에서 발생하는 기단은 한랭하며 남쪽에서 발생하는 기단은 고온의 성질을 가진다. 그러므로 시베리아 기단은 한랭 건조, 오호츠크해 기단은 한랭 다습, 양쯔강 기단은 온난 건조, 북태평양 기단은 고온 다습한 성질을 갖는다.
각 기단이 우리나라에 영향을 미치는 시기는 계절풍의 개념으로 1차적인 설명이 가능하다. 즉 대륙과 해양의 비열 차에 의해 겨울의 기압배치상 대륙에서 해양으로 바람이 불기 때문에 우리나라가 한 겨울엔 시베리아 기단, 초봄과 늦가을엔 양쯔강 기단의 영향을 받게되고, 여름에는 해양에서 대륙으로 바람이 불기 때문에 한 여름엔 북태평양과 늦봄과 초가을엔 오호츠크해 기단의 영향을 받게된다.
하지만 2차적으로 우리나라는 편서풍대에 위치하므로 우리나라의 서쪽에서 발생하는 양쯔강 기단의 영향을 받기는 쉽지만 우리나라의 동쪽에서 발생하는 오호츠크해 기단이 우리나라로 확장되어오는 것이 방해받기 때문에 영향을 받는 기간이 짧아지는 것으로 설명할 수 있다.
그러므로 양쯔강 기단의 영향은 봄, 가을에 영향 받는 기간이 길고, 오호츠크해 기단의 영향권은 장마철 전의 초여름 짧은 기간에 영향을 주게 된다. 또한 겨울동안의 시베리아 기단의 영향에서 벗어나고 양쯔강 기단의 영향이 시작되는 초봄에 황사 현상이 나타남을 설명할 수 있다.
(4) 지구 자전의 결과 나타나는 전향력을 설명하고, 전향력과 관련된 지구과학적인 내용의 예를 들어 보라.
지구 자전축을 중심으로 지표면의 각지점이 회전 반경의 차이가 나므로 지구자전으로 나타나는 속도가 지표 각 지점마다 서로 다르다. 즉 지표의 모든 지점은 서로 다른 속도로 움직이므로 상대 속도가 나타나며, 위도에 따라 그 크기가 서로 다르다. 고위도로 갈수록 위도간 지면의 상대 속도가 크게 나타나며, 그 크기는 위도가 φ일 때 sinφ에 비례하게 된다.
목표물을 향해 발사한 물체는 운동하는 동안 지표면의 상대 운동 효과로 북반구에서는 진행방향의 오른쪽 직각 방향으로 편향되며, 남반구에서는 진행방향의 왼쪽으로 편향된다.
이러한 전향력 효과로 설명되어져야 하는 지구과학적인 용어로는 지구대기 대순환, 무역풍대, 편서풍대, 극동풍대, 고기압/저기압의 풍계, 경도풍, 지균풍, 제트류, 해류의 방향, 엘니뇨현상, 에크만 수송, 연안 용승류등 지구에서 공간적으로 큰 규모의 운동에서 모두 관련되어 있다.
(5) 지구 공전의 증거인 연주시차, 광행차, 별빛 스펙트럼의 변화에 대해 간단히 설명하고, 각각 별까지의 거리와 방향에 따른 의존관계를 비교해보라.
연주시차 광행차 별빛 스펙트럼 변화
별까지 거리 거리가 멀수록 작아진다. 거리에 무관하다 거리에 무관하다
별의 방향 모든 방향에 대해 다 나타난다. 모든 방향에 대해 다 나타난다. 황도면 북극 방향에 대해서는 나타나지 않는다.
(6) 지구에서 관측되는 태양 흑점의 회전 주기가 27일로 관측되었을 때 태양의 자전 주기는 며칠인지 계산해 보라.
태양 자전에 의해 나타나는 태양 표면의 흑점 이동현상의 주기가 태양의 자전주기와 정확하게 일치하지 않는다. 왜냐하면 27일 동안 지구도 태양 주위로 공전하였기 때문에 실제 태양의 자전 주기는 약간 짧을 것이다.
이것을 정확히 계산하기 위해서는 회합주기 개념을 이용하는 것이 가장 바람직하겠다. 태양의 자전주기=P일, 지구의 공전 주기=E(365일), 회합주기=S(27일)와의 관계는
1 / S = 1 / P - 1 / E
이므로 풀어보면 태양의 자전주기인 P = 25.14 일로 계산된다.
(7) 지구 내부로 갈수록 변하는 물리량(밀도, 온도, 압력, 중력)의 특징을 설명해 보라.(설명 생략)
26. 금속은 열과 전기를 잘 전도하며, 연성과 전성이 크다. 금속의 이러한 성질을 자유 전자와 관련지어 설명하여라.
금속은 고체 상태에서나 액체 상태에서도 전기 전도도가 크다. 이것은 금속의 자유 전자가 어느 특정한 원자에 소속되어 있지 않고, 금속 결정 내의 원자들 사이를 자유롭게 움직이고 있다가 전압을 걸어주면 한쪽 방향으로 한쪽 방향으로 움직일 수 있기 때문이다.
금속에 열을 가하면 높은 온도에서 큰 운동 에너지를 가진 자유 전자들이 재빨리 온도가 낮은 곳으로 이동하여 운동 에너지의 일부를 내놓아 그 곳의 온도가 올라가므로 열 전도도가 크다.
금속 결정에 힘을 가하면 원자들의 층이 미끄러지기는 하지만, 이 때 전자들이 이동하여 층들 사이의 결합을 유지시킬 수 있으므로 미끄러진 층이 떨어져 나가지 않기 때문에 선이나 얇은 판으로 가공하여 사용하기 쉬운 연성(뽑힘성)과 전성(퍼짐성)을 갖는다. (충렬고ㆍ정찬규)
27. 벤젠에 대하여 설명해 보라.
벤젠은 탄소 원자 사이의 결합이 단일 결합과 이중 결합의 중간이며 모든 원자가 동일 평면상에 있는 정육각형 구조를 가진 불포화 탄화수소이다.
π결합을 형성하는 공명 혼성구조를 가져 안정하므로 첨가 반응보다는 치환반응이 잘 일어난다.
벤젠은 방향족 탄화수소의 대표적인 것으로 방향족 탄화수소는 벤젠고리를 포함하고 있는 화합물을 말합니다.
무색의 액체이며, 물에 잘 녹지 않는 무극성 유기용매입니다. 화학식은 C6 H6 로서 포화 탄화수소인 알칸이 C6H14 인데 비하여 수소가 6개인 불포화 탄화수소로서 이렇게 수소수가 작은 물질은 연소할 때 그을음이 많이 생기게 됩니다.
(추가질문 1)
벤젠의 구조에 대하여 말해 보라.
벤젠의 구조는 독일의 화학자 케쿨레에 의해 밝혀졌습니다. 케쿨레에 의하면 벤젠은 평면 육각형의 공명구조(resonanse)를 가지고 있습니다. 공명구조란 단일 결합과 이중결합이 서로 교차하여 전자를 분산하기 용이한 매우 안정한 구조를 말합니다. 벤젠의 경우 분자식이 C6 H6 으로 탄소와 탄소사이에 단일결합보다는 짧고 이중 결합보다는 긴 1.5중 결합을 가지므로 정육각형형태를 취합니다.
(추가질문 2)
그러면, 저 두 구조가 시간차를 가지고 서로 교환되면서 존재한다고 생각하나요- 그러한 것이 공명인가?
시간차를 두고 교환하면서 존재하는 것은 아니라고 생각됩니다. 이는 벤젠의 분자 오비탈로 설명할 수 있습니다. 즉, 벤젠의 여섯 개의 탄소 원자가 가지는 원자가전자 중 한 개가 평면에 수직으로 놓여 서로 겹쳐서 위아래에 두 개의 도넛 형태의 구름으로 된 π결합을 형성하는데, 이것이 1.5중 결합의 역할을 한다고 봅니다.
(추가질문 3)
벤젠이 공명 구조를 가지고 있기 때문에 안정하다고 했는데, 그에 대해 설명할 수 있는가? 단일 결합이나 이중 결합 구조만을 가지고 있어야 안정한 거 아닌가?
제 생각에는 1.5중 결합 때문이라고 생각합니다. 하나의 탄소를 중심으로 단일 결합과 이중 결합처럼 서로 길이가 다른 결합이 있는 것보다는 같은 길이의 1.5중 결합을 가진 것이 훨씬 안정하다고 생각합니다.
(추가질문 4)
그럼, 벤젠의 반응에 대하여 설명해 보라.
벤젠은 불포화 탄화수소이지만 첨가 반응보다는 치환 반응이 더 잘 일어납니다. 일반적으로 포화 탄화수소가 치환 반응을 잘 하고 불포화 탄화수소는 첨가 반응을 잘 하지만, 벤젠은 안정한 공명구조를 가지고 있기 때문에 첨가 반응보다는 치환 반응을 잘합니다. (지산고ㆍ김재홍)
28.1803년, 영국의 돌턴은 질량 보존의 법칙과 일정 성분비의 법칙을 설명하기 위하여 원자설을 제안하였고 그것을 바탕으로 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 화학 반응식을 다음과 같이 적었다. H + O -> HO
여기서 보면 물의 화학식을 'HO' 라고 생각했다. 그러나 물의 화학식은 'H2O'이다. 물의 화학식이 'H2O'가 되어야하는 이유를 설명하시오.
♧ 돌턴의 원자설을 유지하면서 기체반응의 현상(기체반응의 법칙)을 설명하기 위해
♧ HO가 되어도 질량 보존의 법칙, 일정성분비의 법칙 더 나가서 여러분이 생각은 하지 않았지만 배수 비례의 법칙 등은 설명이 가능하다. 즉 수소원자(H)와 산소원자(O)의 질량비가 1:8이라고 하면 일정 성분비의 법칙이 성립이 됩니다. 또 이렇게 되면 과산화 수소(실제적인 화학식은 H2O2 임.)도 HO2라고 하면 배수 비례의 법칙도 성립이 된다. 그런데 문제는 기체 상태의 수소와 산소를 반응시켜 물을 만들 때 기체 사이에 일정한 부피비(2:1:2)로 반응하더라는 것이다. 이것이 바로 기체 반응의 법칙인데, 이 법칙을 설명하기 위해 아보가드로가 가설을 내어서 훌륭하게 설명했다. 즉 '모든 기체는 일정한 압력과 온도에서는 종류에 관계없이 같은 부피 속에 같은 개수가 들어간다. 그리고 수소나 산소는 원자(예: H, O)로 존재하는 것이 아니고 분자(예: H2, O2)로 존재한다.'라고 하면 설명이 된다. 즉 수소와 산소를 H2와 O2의 분자를 사용하여 다시 반응식을 만들어 보면 다음과 같이 만들 수 있다.
2H2 + O2 → 2H2O
위의 반응식에서 보면 H2O라는 분자식(화학식)은 기체반응의 법칙을 설명하기 위해 자연스럽게 도입된다는 것을 알 수 있다. 또 H와 O의 상대적 질량비가 1:16 이라고 하면 일정성분비의 법칙도 이상 없이 설명이 된다. (부산과학고ㆍ김원전)
29. 질량과 무게는 어떻게 다른가? 그 차이점을 말해 보시오.
질량은 물질의 고유한 양으로서 어디에 가져가나 변하지 않는 것이며, 질량의 단위는 [Kg: 킬로그램]입니다.
무게는 질량과 같은 것이 아니며, 무게는 물체에 작용하는 중력의 크기를 말하며 위도, 고도 등의 장소에 따라 다르게 됩니다. 무게의 단위는 [N; 뉴턴], [Kgf: 킬로그램중] 등을 사용합니다.
같은 장소에서는 질량은 무게에 비례한다고 해야 합니다. 이 원리를 이용하여 질량을 재는 기구로서 천칭, 체중계, 용수철 저울 등이 있습니다.
♧ 질량은 물질을 구성하는 분자들의 집합체로서 물질의 고유한 양이므로 장소가 달라지더라도 변하지 않습니다.
질량을 재는 방법으로는 밀도와 부피를 곱하여 구할 수도 있고, 질량 측정기구로는 각종 저울로서 중력을 이용하여 측정합니다(중력질량)
한편, 무게는 원래 중력의 크기를 중량(重量)이라고 하는데, 이 한자를 우리말로 고친 것이 무게이며 질량과 같은 것이 아닙니다. 흔히 "몸무게가 50킬로그램이다"라는 표현은 무게와 질량을 혼동하여 잘 못 사용하고있는 글입니다.
저울은 같은 장소에서 질량이 무게에 비례하는 것을 이용한 기구로서 무게를 재는 기구가 아니고 질량을 재는 기구입니다.(저울의 눈금은 모두 질량단위 [Kg]로 되어 있지 무게단위 [N]으로 되어있지 않습니다.)
무게와 질량과의 관계식은 W=mg인데 여기서 W는 무게, m은 질량, g는 중력가속도이며 위도나 고도에 따라 약간씩 다르나 지표면 평균값으로 약 9.8㎨, 또는 10㎨으로 많이 사용합니다.
예를 들면 동일한 장소에서는 무게 9.8N이 되는 질량은 1Kg, 무게 19.6N이 되는 질량은 2Kg이 됩니다. (혜화여고ㆍ김용문)
30. Cosmos와 반대되는 개념인 Chaos와 최근 과학의 한 연구분야인 Chaos를 비교하시오.
본래 Cosmos는 질서 있는 우주, 조화로운 우주를 뜻하는 용어이고, Chaos는 그와 반대되는 의미로 태초의 혼돈을 뜻하는 용어이다. 그러나, 최근 과학과 수학 등에서의 연구 대상인 Chaos는 그와는 의미가 다르다. 만일, Chaos를 혼돈 자체로 여겨버린다면 과학활동이 아예 불가능하게 된다. 그것은 자연에 내재한 질서가 있고, 아직 발견되지 않은 그 질서를 찾아내는 것이 과학 활동이기 때문이다. 즉, Chaos가 혼돈이라면 거기에는 질서가 없을 것이고, 질서를 찾아내는 행위인 과학을 거기에 적용하는 것은 잘못된 적용이 될 것이다.
결국 과학에서의 Chaos는 종래에 많은 과학자들이 너무 복잡한 현상으로 여겨 연구를 포기했던 분야와 관련이 많다. 즉, 지난 시절까지 모델로 만들기 어려웠던 여러 현상들 - 예를 들어 굴뚝에서 나오는 연기의 흐름, 날아다니고 있는 파리의 비행 경로, 흘러가는 강물의 속도에 따라 나타나고 사라지기도 하는 소용돌이 등 - 에 대해 이제는 모델링하게 되고, 그것들에 관해 연구하는 것이라고 생각해도 좋겠다. (이사벨고ㆍ이일기)
31.
(1) 아래의 그림은 불국사의 청운교 아래의 홍예문 모습이다. 우리 나라의 문화재 중 다리는 대부분 홍예(아치)형태를 이루고 있고, 매우 견고하여 요즘에도 이런 모양(아치)의 다리를 건설하고 있다.
벡터(vector)를 설명하고, 이를 이용하여 다리가 견고한 이유를 구술하시오. (그림이 필요한 경우 칠판을 이용하시오.)
① 벡터란 물리량의 크기와 방향을 함께 표시한 것을 의미하고, 예로는 변위, 속도,가속도, 힘, 운동량, 충격량, 전기장, 자기장, 중력장 등이 있습니다.
같은 크기의 벡터량을 합하여도 그 크기는 두 벡터의 방향에 따라 달라집니다. 이로 인하여 일반적인 산술 계산이 되지 않기 때문에 특수한 다음의 방법으로 계산됩니다. 두 방향의 벡터를 합할 때는 <그림1>과 평행사변형법이나 삼각형법으로 구할 수 있습니다.
또한 하나의 벡터를 둘 이상의 벡터로 나눌 수 있는 데 이를 벡터의 분해라 합니다. 이의 방법은 합할 때의 역순으로 구할 수 있습니다.
② <그림 2>와 같은 다리에 자동차가 있으면 양쪽 지지대에서 자동차와 다리의 무게(중력)을 나누어 지탱하지만, 자동차가 다리에 주는 힘은 수평으로 놓인 다리의 한부분에 집중되어 지고, 지지대는 수평으로 놓인 다리의 한부분에 가해지는 힘을 분산 시킬 수가 없어 수평으로 놓인 다리를 튼튼하게 만들어야 합니다.
그러나 <그림 3>의 홍예(아치) 다리 위에 자동차가 있으면 자동차와 다리 자체 무게(중력)를 한 곳에 집중시키지 않고, 양쪽으로 분산시키기 때문에 다리의 한부분에 무게(중력)이 집중되지 않아 다리가 튼튼합니다. 이와 같은 원리가 힘의 분산입니다. 예를 들면 판자에 못을 촘촘히 박아놓고 못 위에 풍선을 눌러도 터지지 않는 현상과 같은 원리입니다.
< 그림 2 > < 그림 3 >
(2)
오른쪽 그림은 균일한 전기장 속에서의 방사선 alpha,beta,gamma 의 영향을 나타낸 그림이다. alpha 선의 곡률반지름이 beta 선의 곡률반지름 보다 큰 이유를 수평으로 던진 물체의 운동으로 설명하시오.
수평으로 던진 물체의 운동의 경우 수평방향의 운동은 등속도 운동이고, 수직방향의 운동은 중력이 작용하여 등가속도운동을 합니다. 수평도달거리는 수평방향의 처음 속도에 낙하시간을 곱하여 구할수 있는 데, 낙하시간 t = root(2h/g) 나타낼 수 있습니다.(단, h는 높이) 물체를 수평으로 v0 로 지구와 달에서 던질 때 중력가속도가 큰 지구에서 수평도달 거리가 작습니다.
이와 마찬가지로 균일한 전기장내에 전기장의 방향에 수직하게 전하량 q 이고, 질량이 m인 입자를 입사시키면 전기장 방향의 수직방향은 힘이 작용하지 않아 등속도 운동을 하고, 전기장의 방향으로는 일정한 전기력(F=qE )을 받아 등가속도 운동을 합니다.
따라서 F=ma=qE 에서 가속도 a=qE/m 입니다. alpha 선의 본질은 헬륨의 핵으로 양성자와 중성자가 각각 2개씩 있고, 전하량은 +2e이며 beta 선의 본질은 전자로 전하량이 -e입니다.(단 e= 1.6×10-19 C 임) 이에 전자의 질량를 1이라고 하면 양성자와 중성자의 질량이 약 1900배 정도여서 alpha 선의 질량은 beta 선의 질량보다 7600배 입니다. 따라서 alpha 선의 가속도가 beta 선의 가속도보다 작기 때문에 전기장의 수직한 방향으로 이동한 거리(수평도달거리)는 alpha 선이 beta 선보다 큽니다.
결론적으로 alpha 선의 곡률반지름이 beta 선의 곡률반지름 보다 크다고 말할 수 있습니다. (금정고ㆍ이경원)
32. 해커(Hacker)와 크래커(Cracker)의 의미를 설명하고, 해킹 피해를 막기 위해 방화벽(Fire wall)이 필요한 이유를 설명하시오.
해커는 원래 컴퓨터에 통달한 전문가를 뜻하는 말. 해커의 의미는 시대별로 구분되는데 대형기종이 전부였던 1970년대 후반까지의 해커들은 자신들이 직접 컴퓨터를 만들고 모든 것을 직접 실행하면서 오늘날의 개인용 컴퓨터가 있도록 만든 주역들이다. 그러나 80년대에 넘어와 개인용 컴퓨터가 보급되고 급속히 네트워킹이 진전되면서 이같은 본래 의미는 퇴색하고 타인의 컴퓨터에 무단 침입해 범죄를 저지르는 인물들이 등장하면서 해커는 컴퓨터망을 이용한 첨단 도둑의 다른 이름으로 인식되기에 이르렀다. 사람에 따라서는 후자의 경우를 본래 의미의 해커와 구별해 크래커(cracker)라고도 부른다.
크래커(Cracker)는 경제적인 이익을 얻기 위해 타인의 컴퓨터에 무단 침입하여 정보를 빼돌리거나 기업체의 요구에 따라 경쟁사에 피해를 입히는 등 아무 거리낌없이 범죄를 저지르는 사람들을 가리키는 말이다. 근래 해커라는 용어를 크래커로 오용하는 사례가 많다.
크래커의 접속을 아예 봉쇄하거나 외부에서 침투하는 크래커로부터 시스템을 지키는 프로그램을 파이어 월이라고 한다. 인터넷으로 전 세계의 컴퓨터가 서로 연결되면서 남의 컴퓨터에 몰래 들어가 정보를 훔치거나 시스템을 수정, 파괴하는 해킹이 큰 문제로 떠오르게 됨에 따라, 크래커의 접속을 봉쇄하거나 시스템에 잠입한 해커를 추적하는 등 시스템 보안을 위한 프로그램들이 만들어지고 있다. 이렇듯 어떤 개인이나 단체, 혹은 기업이 자신의 시스템은 인터넷에 연결했을 때 외부에서 침투하는 크래커로부터 시스템을 지키는 프로그램이다. 본래는 불길이 번지는 것을 막는 방화벽을 가리키는 말이었으나 네트워크에서 벌어지는 각종 문제들이 확대되는 것을 차단시키는 것이라는 뜻으로 전이된 용어이다. (부산정보고ㆍ이현숙)
33. 등근 완두가 주름진 완두에 대해 우성이라는 것을 알고 있는 생물반 학생들이 완두 교배 실험을 다음과 같이 해 보았다.
실험1. 둥근 완두와 주름진 완두를 각각 5개 씩 심었다.
실험2. 꽃이 완전히 피기 전 주름진 완두의 꽃잎을 열고 수술을 제거하였다.
실험3. 둥근 완두의 꽃가루를 주름진 완두의 암술머리에 가루받이를 하고, 둥근 완두 5그루를 모두 뽑아 버렸다.
실험4. 완두를 수확해 보니 둥근 완두와 주름진 완두가 각각 203 : 200 이며 그 비율은 약 1 : 1 이었다.
위의 실험 결과를 보고 해석할 수 있는 내용을 알아보고, 부모의 인자형과 교배 형태를 나타내시오. (R, r 을 이용하시오)
답 : ① 실험에 사용한 둥근 완두의 유전자 형은 헤테로(이형, 잡종)이다.
② 둥근 완두의 유전자 조성을 알 수 있다.
③ 위 실험의 교배 방법은 검정 교배이다.(우성형질인 둥근 완두의 인자형이 호모(동형)인지 헤테로인지를 알기 위해 열성 호모 즉 주름진 완두와 교배하는 방법을 검정교배라고 한다.)
④ 주름진 완두는 열성호모이다.
⑤ 주름진 완두 즉 열성호모를 rr 이라 하고 둥근 완두의 인자형을 Rr이라 할 때 교배 형태는 다음과 같다.
(주례여고ㆍ이현자)
34. 함수(function)의 정의를 말하시오
공집합이 아닌 두 집합 X, Y 가 있을 때, X의 각 원소에 Y의 원소가 하나씩 대응할 때 이 대응을 X에서 Y로의 함수라 하고, 이것을 기호로 f : X --> Y 와 같이 나타낸다.
-해설-
＊데데킨트(Dedekind, 1831∼1916)는 두 집합 X, Y 가 주어졌을 때, X의 각 원에 대응하여 Y의 원이 오직 하나씩 결정되는 규칙이 있으면 이 규칙을 X에서 Y로의 사상이라 하였다. 또, 그는 집합 X와 Y 가 수로 이루어진 집합이면 이 사상을 함수라 하였다.
그러나 오늘날 함수의 개념이 적용되는 범위가 넓어짐에 따라, 데데킨트의 사상의 정의를 함수의 정의로 받아들여 함수와 사상이란 용어를 같은 뜻을 갖는 것으로 사용되는 경향이다. (진여고ㆍ이승호)
35. 통일장 이론을 설명하고 이 이론이 갖는 물리적 의미에 대해 논하시오
우주에는 기본적으로 만유인력, 전기력, 자기력, 강력, 약력의 5가지 힘이 존재합니다. 이 5가지의 힘을 하나로 통일시키려는 시도가 통일장 이론입니다. 현재는 전기력, 자기력, 약력이 전자기력으로 통일되었습니다. 그 한 예가 빛인데 이 빛 속에는 전기와 자석이 교대로 진동하고 있습니다. 즉 전기와 자기의 극적인 결합이 바로 빛입니다. 그래서 빛을 전자기파라고 합니다.
통일장 이론에 의해 모든 힘이 하나로 통일되면 힘끼리 서로 변환할 수 있게 되어 물질을 분해해서 다시 재생시킨다는 것이 원리적으로 가능해서 우리 인간은 거의 무한대의 에너지를 가지게 될 수 있을 것입니다.
우주에 존재하는 기본적인 힘은 다음과 같습니다.
1. 만유인력 : 물질(질량체)끼리 잡아당기는 힘
2. 전기력 : 전하끼리의 작용력
3. 자기력 : 자석끼리의 작용력
4. 강력 : 양성자를 핵에 묶어두는 힘
5. 약력 : 원자핵이 다른 원자핵으로 변할 때 나타남
과학자들은 위 5 가지의 힘이 원래 같은 힘이었는데 우주가 대폭발로 팽창하여 온도가 낮아지면서 분리되었다고 생각합니다. 따라서 위 5 가지 힘을 하나로 통일시킬 수 없을까하고 엄청난 연구를 하였습니다. 이 통일시키려는 시도의 결과로 나온 것이 통일장 이론입니다.
위 5 가지중에 2, 3, 5번은 전자기력으로 통일되었습니다.
그 한 예가 빛인데 이 빛 속에는 전기와 자석이 교대로 진동하고 있습니다. 즉 전기와 자기의 극적인 결합이 바로 빛입니다. 그래서 빛을 전자기파라고 합니다.
그래서 현재는 우주에 존재하는 기본 힘은 3 가지로 통일되었습니다. 이 3 가지를 하나로 통일시키려는 대통일장 이론은 아직까지 아무도 완성하지 못하였습니다. 아인슈타인 박사도 말년에 통일장 이론을 연구하다가 별 진전 없이 생을 마쳤습니다.
통일장 이론에 의해 모든 힘이 하나로 통일되면 힘끼리 서로 변환할 수 있게 되어 물질을 분해해서 다시 재생시킨다는 것이 원리적으로 가능해서 우리 인간은 거의 무한대의 에너지를 가지게 될 수 있을 것입니다.(즉, 물질을 분해시켜 에너지 상태로 만든 후 다시 그 에너지를 모아 원래의 물질로 재생시킨다는 것)
지금 우리가 쓰는 기기중 음성을 전기 에너지로 바꾼 후 전선을 통해 거의 빛의 속도로 멀리 보낸 후 다시 전기신호를 모아 음성을 재생하는 전화기와 화면을 분해 후 전파로 가정까지 배달하여 그 전파를 다시 모아 화면으로 재생하는 텔레비젼은 이미 가능한 기술로 좋은 예가 된다고 볼 수 있습니다. (동천고ㆍ유석운)
36. 게놈 프로젝트란 무엇이며, 긍정적인 면과 부정적인 면은 무엇인가?
게놈(genome)이란 유전자(gene)와 염색체(chrosome)의 두 단어를 합성한 말로 생물 세포에 담긴 유전 정보 전체를 뜻한다. 인체의 모든 생명 정보를 담고 있는 분자 구조는 디시리보 핵산(DNA)이다. 23쌍 염색체에 있는 DNA는 아데닌(A), 티민(T), 구미딘(G), 시토신(C)의 4가지 염기가 나열된 이중 나선 구조이다. 4가지 염기가 3개씩 조합된 유전 암호가 아미노산을 만들고 아미노산이 단백질을 형성한다. 아미노산을 만드는 메신저 역할을 하고 사라지는게 리보핵산인데 메신저라 해서 mRNA라 부르기도 한다. 유전자는 이 구조가 세포 내에서 하나의 기능을 하는 기능적 단위이며 게놈은 총체적 개념이다. 하나의 유전자는 약 500개의 RNA를 낳는데 아무 기능이 없는 염기 절편을 포함하고 있어 유전자 하나를 구성하고 있는 염기는 수십만개에 이른다. 인간의 유전자는 약 10만개 염기는 약 30만 쌍으로 추정된다. 게놈 프로젝트는 이 염기의 순서를 모두 밝혀내는 작업이다.
긍정적인 면은 백혈병, 치매, 심장 기형, 암 등 유전자 이상으로 생기는 수많은 난치병이 정복될 가능성이 커질 것이다.
부정적인 면은 인간의 존엄성과 인권이 침해당할 수 있다는 점이다. 예를 들면 현재 아무 이상이 없는 20대 젊은이도 질병 유전자를 보유했다는 이유만으로 훨씬 비싼 보험료를 물어야 할 것이며, 회사는 언젠가 환자가 될 수 있는 사람의 고용을 당연히 꺼릴 것이고, 배우자 선택에 있어서도 중요한 검토 항목으로 떠올라 환자가 될 수 있는 사람과 결혼을 꺼릴 것이다. 그리고 아이를 낳을 때 맞춤형 아기를 원하는 등의 문제점이 있다.
따라서 인간 게놈 프로젝트의 성과를 인류에게 유리한 방향으로 사용하냐는 것은 우리의 선택의 문제라고 할 수 있다. 우리는 지금 희망과 공포의 갈림길에 서 있는 것이다.
♧ 인간게놈 프로젝트 문제는 단순히 찬성 반대의 차원을 떠나 인류의 미래를 결정지을 수 있는 중차대한 문제라는 것을 인식하고 글을 적어야 한다. 긍정적인 면과 부정적인 면을 언급할 때도, 미래의 인간 모습을 단순히 지금의 연장선상으로 이해해서는 안 된다. 새로운 인간의 모습을 생각할 필요가 있다.(해운대고)
37. 현대 사회에서 과학자의 책임은 무엇인가?
현대는 과학기술의 시대다. 과학기술의 발전이 초래한 어두운 측면에도 불구하고 인간이 현재 누리고 있는 풍요로운 삶은 과학기술에 모두 의존하고 있다. 결국 과학기술의 발전은 '생존전락'면에서 불가피한 것으로 보인다. 이러한 과학기술 발전의 당위성은 인류 전체로 보아도 달라지지 않는다. 그러나 과학의 가치 중립성을 지나치게 믿은 나머지 과학자는 그 연구 결과에 대해 책임지지 않아도 된다는 생각이 현대사회의 위기를 초래하게 되었음을 인식해야 한다. 오늘날 과학은 자연환경뿐 아니라 인류 사회에 커다란 변화를 몰고 왔으며, 인류만이 아니라 지구 생태계를 멸망시킬 수도 있는 가공할 힘을 지니게 되었다. 그렇기 때문에 과학자가 자신은 연구만 하면 되고, 그 연구가 사회에서 어떻게 이용되는가는 자신의 책임이 아니라고 주장하는 것은 매우 부도덕하고 무책임한 생각이다. 과학기술이 인류 멸망의 위기를 고조시키고 있는 현실에서 과학자 스스로가 자신의 연구 결과에 대해 책임을 느끼지 못한다면 인류에게 해를 끼칠 과학기술이 무분별하게 양산되어 결국 우리는 인류 멸망의 비운을 맞게 되고 말 것이다. 따라서 과학자는 자신들의 연구 활동이 사회에서 매우 중요한 역할을 하며, 동시에 연구 결과에 대한 도덕적 책임 역시 중요함을 깨달아야 한다. 과학이 인류의 행복에 기여해야 한다는 참된 과학적 정신에 입각하여 이제까지의 연구 태도를 반성해야만 하는 것이다. 오늘날 인류 파멸의 위기가 과학자만의 책임이 아니라 할지라도 과학자들이 자신들의 연구 결과에 대한 도덕적 책임을 자각하고 당면 문제를 해결하기 위해 최선을 다할 때 인류에게 밝은 미래가 보장될 것이다. (부산외국어고ㆍ박기문)
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