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화학Q1. [민감성, 정교성] 놀이동산에 가면 풍선을 쉽게 볼 수 있다. 헬륨 기체를 넣은 풍선은 공기에 비해 상대적으로 가볍기 때문에 끈을 놓으면 하늘 위로 올라가 버린다. 풍선의 재질에는 알루미늄박을 사용한 것도 있고, 고무를 이용한 것도 있다. 알루미늄과 고무로 만들어진 두 개의 풍선에 동일한 양의헬륨 기체를 주입한 다음, 동일한 길이의 끈에 묶어둔 채로 며칠 동안 관찰했을 때 나타나는 변화를 예상하고 그 이유를 설명하시오.
전문가 클리닉
막을 사이로 기체의 압력과 내외부에 있는 기체 분자들의 확산에 대해 설명할 때 풍선은 자주 등장하는 소재입니다. 이 문제의 경우는 재질이 다른 고무풍선과 알루미늄 풍선이어떤 차이를 나타낼까를 생각해봅니다. 풍선에 공기를 주입한다는 점은 같지만, 고무풍선은 항상 내부와 외부의 압력이 동일한 반면, 알루미늄 풍선은 부피가 제한되기 때문에 일반적으로 내부가 외부보다 더 높은 압력을 유지합니다. 이에 따른 확산이나 분출 현상을 설명하고, 풍선 막을 구성하는 물질의 차이도 고려해야 합니다.
예시답안
눈으로 봤을 때 고무풍선 표면은 매끄러운 막으로 보이지만, 실제로는 고무 분자 사이에 작은 틈이 있어서 기체 분자가 이동할 수 있다. 그래서 고무풍선에서는 내부의 헬륨 원자들이 외부의 대기로 퍼지고, 외부의 공기를 구성하는 질소와 산소 분자도 풍선 내부로 들어온다. 이때 공기가 들어오는 속도보다 헬륨이 빠져나가는 속도가 더 크기 때문에 고무풍선은 부피가 줄어들면서 밀도가 높아지고 아래쪽으로 가라앉게 된다.
이에 비해 알루미늄 풍선은 금속박으로 만들어져 있는데 금속 사이의 틈이 거의 없기 때문에 고무풍선에 비해 오랜 시간동안 공기 중에 떠 있을 수 있다.
Q2. [유창성] 영화 ‘업(Up)’에는 노인이 헬륨을 넣은 풍선을 이용해 집을 띄워 올리는 장면이 나온다. 영화에서는 작은 풍선들을 많이 모아서 집을 띄워 올리는데, 한 개의 대형 풍선을 사용하는 것과 작은 풍선 여러 개를 사용하는 것 중에 어느 것이 더 효율적인가? 풍선 개수에 따른 장단점을 제시하시오.
전문가 클리닉
헬륨은 공기에 비해 15배 정도 더 가벼운 기체이지만, 풍선에 일정한 양을 채우기 전까지는 풍선이 떠오르지 않습니다. 헬륨을 넣은 풍선이 공기 중에서 위로 떠오르는 것은 풍선을 구성하는 기체의 밀도가 주변에 비해 낮기 때문입니다. 하지만 사실 풍선을 구성하는 물질의 질량과 내부 기체의 질량을 합친 값을 전체 풍선의 부피로 나눈 밀도의 차이에 따라 풍선은 떠오르기도 하고 가라앉기도 합니다.
예시답안
풍선은 풍선 내부에 들어가는 헬륨과 공기의 밀도 차에 부피를 곱한 값만큼의 질량을 들어 올릴 수 있는데, 풍선의 개수가 늘어나면 풍선을 구성하는 고무의 질량이 추가되기 때문에 더 많은 헬륨이 필요해진다. 따라서 한 개의 풍선을 사용할 경우에는 더 적은 양의 헬륨만으로 집을 들어 올릴 수 있다. 그러나 한 개의 풍선만을 이용했다가 풍선이 찢어지는 사고라도 일어나면 속수무책으로 추락할 것이다.
풍선을 여러 개 사용할 경우에는 더 많은 헬륨 기체가 필요하고, 연결하기 위한 끈도 여러 개 필요해진다. 그대신 풍선 하나만 사용하는 위험성을 덜 수 있으며, 풍선의 수를 조절해서 집이 떠오르는 고도를 조절할 수도 있다.
생명과학
Q1. 정온동물은 체온을 일정하게 유지하기 위해 화학에너지의 일부를 열에너지로 변환한다. 열에너지로 변환되는 비율과 몸무게와의 관계를 확인하기 위해 정온동물의 몸무게와 열에너지로 전환되는 비율을 그래프로 표현했다. 그래프를 참고해 다음의 문제를 해결하시오.
전문가 클리닉
1) 부피가 큰 정온동물은 열을 천천히 발산하고 그에 따라 열에너지로 전환되는 비율도 낮아집니다. 예를 들어 부피가 8인 정육면체의 표면적이 24로 1:3의 비율로 나타난다면, 부피가 64인 정육면체의 표면적은 96으로 1:1.5의 비율로 나타납니다. 부피가 작은 정온동물일수록 부피에 대한 표면적의 비가 높아서 외부로 방출되는 열에너지의 양이 많기 때문에, 체온을 유지하려면 열에너지로 변환하는 에너지의 비율이 커야 합니다. 반대로 큰 정온동물은 부피에 대한 표면적의 비가 낮아 외부로 방출되는 열에너지의 양이 적고, 체온이 일정량 유지됩니다. 따라서 열에너지로 변환하는 에너지의 비율이 낮아집니다.
2) 생쥐는 자신의 에너지를 이용해 체온을 유지합니다. 하지만 변온동물은 외부 환경에 따라 체온이 변할 수 있고, 태양열과 같이 외부의 열을 이용해 체온을 조절할 수 있어서 체내에서 많은 양의 화학에너지를 열에너지로 변환하지 않아도 됩니다.
3) 실제로 변온동물의 체온조절은 불완전하므로 어느 정도 이하로 내려 가면 체내의 신진대사가 낮아져서 활발하게 활동할 수 없게 됩니다. 그래서 개구리, 뱀, 도마뱀은 추울 때에는 땅속에 들어가 겨울잠을 잡니다. 반대로 너무 높은 온도에서는 효소 활동이 억제되거나 단백질의 변성에 의해 손상을 입을 수 있기 때문에 열대지방에서는 덥고 건조한 시기에 변온동물들이 여름잠을 잡니다.
예시답안
1) 몸무게가 크면 클수록 열에너지로 전환되는 비율이 낮아지는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있다. 몸무게가 크다는 것은 부피에 따른 체표면적의 비율이 낮은 것이다. 따라서 부피에 따른 체표면적의 비율이 낮아지면 열에너지 전환 비율도 낮아진다.
2) 변온동물은 열로 전환되는 에너지가 없는 것은 아니지만 일반적으로 외부의 열을 이용해 자신의 체온을 조절한다. 따라서 생쥐보다 열에너지 전환 비율이 낮을 것이다.
3) 변온동물은 색소세포를 확산시켜 복사열을 흡수해 체온을 높이는데, 체온이 너무 올라가면 호흡수를 늘려서 입에서 열을 발산시키거나 색소세포를 응집해 열의 흡수를 방지한다.
전문가 클리닉
과거에는 입시에서 지식의 양을 측정했다면, 최근에는 지식을 어떻게 잘 응용해 새로운 상황에 적용하는가를 평가하고 있습니다. 제시된 문제에서는 새로운 정의를 이해해 적합한 예를 제시하고, 기초 단계에서 확인된 사항을 일반적인 상황으로 확장해보는 연습
을 해보겠습니다.
전문가 클리닉
막을 사이로 기체의 압력과 내외부에 있는 기체 분자들의 확산에 대해 설명할 때 풍선은 자주 등장하는 소재입니다. 이 문제의 경우는 재질이 다른 고무풍선과 알루미늄 풍선이어떤 차이를 나타낼까를 생각해봅니다. 풍선에 공기를 주입한다는 점은 같지만, 고무풍선은 항상 내부와 외부의 압력이 동일한 반면, 알루미늄 풍선은 부피가 제한되기 때문에 일반적으로 내부가 외부보다 더 높은 압력을 유지합니다. 이에 따른 확산이나 분출 현상을 설명하고, 풍선 막을 구성하는 물질의 차이도 고려해야 합니다.
예시답안
눈으로 봤을 때 고무풍선 표면은 매끄러운 막으로 보이지만, 실제로는 고무 분자 사이에 작은 틈이 있어서 기체 분자가 이동할 수 있다. 그래서 고무풍선에서는 내부의 헬륨 원자들이 외부의 대기로 퍼지고, 외부의 공기를 구성하는 질소와 산소 분자도 풍선 내부로 들어온다. 이때 공기가 들어오는 속도보다 헬륨이 빠져나가는 속도가 더 크기 때문에 고무풍선은 부피가 줄어들면서 밀도가 높아지고 아래쪽으로 가라앉게 된다.
이에 비해 알루미늄 풍선은 금속박으로 만들어져 있는데 금속 사이의 틈이 거의 없기 때문에 고무풍선에 비해 오랜 시간동안 공기 중에 떠 있을 수 있다.
Q2. [유창성] 영화 ‘업(Up)’에는 노인이 헬륨을 넣은 풍선을 이용해 집을 띄워 올리는 장면이 나온다. 영화에서는 작은 풍선들을 많이 모아서 집을 띄워 올리는데, 한 개의 대형 풍선을 사용하는 것과 작은 풍선 여러 개를 사용하는 것 중에 어느 것이 더 효율적인가? 풍선 개수에 따른 장단점을 제시하시오.
전문가 클리닉
헬륨은 공기에 비해 15배 정도 더 가벼운 기체이지만, 풍선에 일정한 양을 채우기 전까지는 풍선이 떠오르지 않습니다. 헬륨을 넣은 풍선이 공기 중에서 위로 떠오르는 것은 풍선을 구성하는 기체의 밀도가 주변에 비해 낮기 때문입니다. 하지만 사실 풍선을 구성하는 물질의 질량과 내부 기체의 질량을 합친 값을 전체 풍선의 부피로 나눈 밀도의 차이에 따라 풍선은 떠오르기도 하고 가라앉기도 합니다.
예시답안
풍선은 풍선 내부에 들어가는 헬륨과 공기의 밀도 차에 부피를 곱한 값만큼의 질량을 들어 올릴 수 있는데, 풍선의 개수가 늘어나면 풍선을 구성하는 고무의 질량이 추가되기 때문에 더 많은 헬륨이 필요해진다. 따라서 한 개의 풍선을 사용할 경우에는 더 적은 양의 헬륨만으로 집을 들어 올릴 수 있다. 그러나 한 개의 풍선만을 이용했다가 풍선이 찢어지는 사고라도 일어나면 속수무책으로 추락할 것이다.
풍선을 여러 개 사용할 경우에는 더 많은 헬륨 기체가 필요하고, 연결하기 위한 끈도 여러 개 필요해진다. 그대신 풍선 하나만 사용하는 위험성을 덜 수 있으며, 풍선의 수를 조절해서 집이 떠오르는 고도를 조절할 수도 있다.
생명과학
Q1. 정온동물은 체온을 일정하게 유지하기 위해 화학에너지의 일부를 열에너지로 변환한다. 열에너지로 변환되는 비율과 몸무게와의 관계를 확인하기 위해 정온동물의 몸무게와 열에너지로 전환되는 비율을 그래프로 표현했다. 그래프를 참고해 다음의 문제를 해결하시오.
전문가 클리닉
1) 부피가 큰 정온동물은 열을 천천히 발산하고 그에 따라 열에너지로 전환되는 비율도 낮아집니다. 예를 들어 부피가 8인 정육면체의 표면적이 24로 1:3의 비율로 나타난다면, 부피가 64인 정육면체의 표면적은 96으로 1:1.5의 비율로 나타납니다. 부피가 작은 정온동물일수록 부피에 대한 표면적의 비가 높아서 외부로 방출되는 열에너지의 양이 많기 때문에, 체온을 유지하려면 열에너지로 변환하는 에너지의 비율이 커야 합니다. 반대로 큰 정온동물은 부피에 대한 표면적의 비가 낮아 외부로 방출되는 열에너지의 양이 적고, 체온이 일정량 유지됩니다. 따라서 열에너지로 변환하는 에너지의 비율이 낮아집니다.
2) 생쥐는 자신의 에너지를 이용해 체온을 유지합니다. 하지만 변온동물은 외부 환경에 따라 체온이 변할 수 있고, 태양열과 같이 외부의 열을 이용해 체온을 조절할 수 있어서 체내에서 많은 양의 화학에너지를 열에너지로 변환하지 않아도 됩니다.
3) 실제로 변온동물의 체온조절은 불완전하므로 어느 정도 이하로 내려 가면 체내의 신진대사가 낮아져서 활발하게 활동할 수 없게 됩니다. 그래서 개구리, 뱀, 도마뱀은 추울 때에는 땅속에 들어가 겨울잠을 잡니다. 반대로 너무 높은 온도에서는 효소 활동이 억제되거나 단백질의 변성에 의해 손상을 입을 수 있기 때문에 열대지방에서는 덥고 건조한 시기에 변온동물들이 여름잠을 잡니다.
예시답안
1) 몸무게가 크면 클수록 열에너지로 전환되는 비율이 낮아지는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있다. 몸무게가 크다는 것은 부피에 따른 체표면적의 비율이 낮은 것이다. 따라서 부피에 따른 체표면적의 비율이 낮아지면 열에너지 전환 비율도 낮아진다.
2) 변온동물은 열로 전환되는 에너지가 없는 것은 아니지만 일반적으로 외부의 열을 이용해 자신의 체온을 조절한다. 따라서 생쥐보다 열에너지 전환 비율이 낮을 것이다.
3) 변온동물은 색소세포를 확산시켜 복사열을 흡수해 체온을 높이는데, 체온이 너무 올라가면 호흡수를 늘려서 입에서 열을 발산시키거나 색소세포를 응집해 열의 흡수를 방지한다.
전문가 클리닉
과거에는 입시에서 지식의 양을 측정했다면, 최근에는 지식을 어떻게 잘 응용해 새로운 상황에 적용하는가를 평가하고 있습니다. 제시된 문제에서는 새로운 정의를 이해해 적합한 예를 제시하고, 기초 단계에서 확인된 사항을 일반적인 상황으로 확장해보는 연습
을 해보겠습니다.
