수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

(가) 갈릴레이와 비슷한 시기에 살았던 독일의 천문학자 케플러는 행성의 공전 궤도가 원이라고 생각하고 수학을 통해 행성의 정확한 궤도를 구하려고 노력하였다. 천재적인 천체 관측가였던 브라헤는 화성의 정확한 궤도를 구하기 위하여 화성의 위치 변화를 16년간이나 정밀하게 관측하였으나 갑작스런 죽음으로, 그의 관측 자료는 케플러에게 넘어가게 되었다. 브라헤의 관측 자료를 연구한 케플러는 결국 행성의 궤도가 원이라는 생각을 버릴 수 있었다.

1609년 케플러는 마침내 ‘신천문학’이라는 책을 통해 행성은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원 궤도를 그리며 공전한다는 타원 궤도의 법칙(케플러 제1법칙)과 태양과 행성을 잇는 직선이 단위 시간 동안 휩쓸고 지나가는 면적은 항상 일정하다는 면적 속도 일정의 법칙(케플러 제2법칙)을 발표하였다. 그 후, 1619년 케플러는 행성 공전 주기의 제곱은 공전 궤도의 긴 반지름의 세제곱에 비례한다는 조화의 법칙(케플러 제3법칙)을 발표하였다. 케플러의 법칙은 관측 자료의 분석을 통하여 얻어진 경험적인 법칙으로, 비록 행성 운동의 규칙성이 나타나게 되는 원인을 명쾌히 설명하지는 못하였지만 뉴턴의 만유인력 법칙을 이끌어내는 데 중요한 역할을 하였다.

질량을 가진 모든 물체 사이에는 항상 서로 끌어당기는 힘이 작용하는데 이를 만유인력이라 한다. 두 물체 사이에 작용하는 만유인력 F는 두 물체의 질량 M,m\displaystyle M,m에 비례하고 두 물체 사이의 거리 r의 제곱에 반비례한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

F=GMmr2\displaystyle F=\frac{GMm}{r^2} (G: 만유인력 상수)

위의 식에서 내부가 균일한 구형(球形) 물체가 외부 물체에 작용하는 만유인력은 구형 물체의 모든 질량이 구의 중심점에 모여 있다고 가정하고 계산할 수 있다.

(나) 수성과 금성이 태양과 지구 사이를 지나가면 태양 위의 점처럼 보이는데, 이를 태양면 통과라 한다. 태양면 통과가 일어날 수 있다는 사실을 처음으로 깨닫고, 그것이 언제 일어날지 계산한 사람은 케플러다. 가상디는 케플러의 계산을 바탕으로 1631년(케플러가 사망하고 나서 1년 후)에 수성의 태양면 통과를 관측하는 데 성공하였다. 호록스는 케플러의 계산을 더 정확하게 하여 1639년 11월 24일에 처음으로 금성의 태양면 통과를 관측하는 데 성공하였다. 금성의 태양면 통과를 지구상의 여러 지점에서 관측하면, 그것을 이용해 금성과 태양까지의 거리를 계산할 수 있다는 사실을 처음 알아낸 사람도 호록스였다. 금성의 공전 궤도면은 지구의 공전 궤도면에 대해 약 3.4° 기울어져 있어서 두 궤도면이 만나는 6월경 또는 12월경에만 금성의 태양면 통과가 관측될 수 있다. 금성의 태양면 통과 현상은 가장 최근에는 2004년 6월에 관측되었고, 그 바로 전에는 1882년 12월에 관측되었다.

[문제 1-1] 제시문 (나)의 내용과는 달리 금성과 지구가 한 평면 위에서 공전한다고 가정하면 1882년 12월과 2004년 6월 사이에 금성의 태양면 통과가 더 자주 관측되었을 것이다. 이 경우, 같은 기간 동안 금성의 태양면 통과가 약 121.5×((aVaE)−32−1)−1\displaystyle 121.5\times\left(\left(\frac{a_V}{a_E}\right)^{-\frac32}-1\right)-1회 더 관측된다는 것을 제시문 (가), (나)를 참조하여 설명하시오.

단, aV\displaystyle a_V와 aE\displaystyle a_E는 각각 금성 궤도와 지구 궤도의 긴 반지름이다. (10줄 이내) [20점]

[문제 1-2] [문제 1-1]에 주어진 121.5×((aVaE)−32−1)−1\displaystyle 121.5\times\left(\left(\frac{a_V}{a_E}\right)^{-\frac32}-1\right)-1의 값을 계산하려 한다. 아래 그래프를 참조하여 이 값을 근사적으로 구하는 과정을 논리적으로 설명하시오. 단, aV=0.72aE\displaystyle a_V=0.72a_E라 하자. (10줄 이내) [5점]

상용로그 함수의 그래프
해설강의 준비중

[문제 1-1]

+10점 · 금성이 더 회전하는 수

지구의 공전 주기를 TE\displaystyle T_E, 금성의 공전 주기를 TV\displaystyle T_V라 하자. 1882년 12월과 2004년 6월 사이에 대략 121.5TE\displaystyle 121.5T_E의 시간이 지났다고 볼 수 있다. aV\displaystyle a_V가 aE\displaystyle a_E보다 작으므로 케플러 제3법칙에 따르면 금성의 공전 주기가 더 짧아서 같은 시간에 금성의 공전 회전수가 더 많다. TE\displaystyle T_E 시간 동안 지구는 한 바퀴 돌고 금성은 TE/TV\displaystyle T_E/T_V 바퀴 움직인다. 따라서 121.5TE\displaystyle 121.5T_E의 시간 동안 금성은 지구보다 121.5×(TE/TV−1)\displaystyle 121.5\times(T_E/T_V-1)바퀴 더 돌게 된다.

+4점 · 케플러 제3법칙

한편 케플러 제3법칙에 따라 (aVaE)3=(TVTE)2\displaystyle \left(\frac{a_V}{a_E}\right)^3=\left(\frac{T_V}{T_E}\right)^2이 성립한다.

+4점 · 궤도 반지름을 이용한 표현

따라서 금성이 지구보다 더 움직인 공전 회전수를 금성의 공전 긴 반지름과 지구의 공전 긴 반지름으로 표현하면 121.5×((aVaE)−32−1)\displaystyle 121.5\times\left(\left(\frac{a_V}{a_E}\right)^{-\frac32}-1\right)바퀴가 된다.

+2점 · 횟수에서 1을 뺌

문제에 주어진 가정을 따르면 1882년 12월과 2004년 6월 사이 금성의 태양면 통과 횟수는 금성이 지구보다 더 움직인 공전 회전수에서 1을 뺀 121.5×((aVaE)−32−1)−1\displaystyle 121.5\times\left(\left(\frac{a_V}{a_E}\right)^{-\frac32}-1\right)-1회가 된다.

[문제 1-2]

+10점 · 상용로그를 이용한 계산 방법

(aVaE)=0.72\displaystyle \left(\frac{a_V}{a_E}\right)=0.72이므로 0.72−32\displaystyle 0.72^{-\frac32}의 값을 구하기 위해 log⁡100.72−32\displaystyle \log_{10}0.72^{-\frac32}의 값을 찾아내면 문제에서 제시한 그래프를 이용하여 주어진 log⁡10x\displaystyle \log_{10}x 그래프의 알려진 함수값에서 x를 찾는 방식으로 0.72−32\displaystyle 0.72^{-\frac32}의 값을 정할 수 있다.

+3점 · 로그의 값

그런데, log⁡100.72−32=−1.5log⁡100.72\displaystyle \log_{10}0.72^{-\frac32}=-1.5\log_{10}0.72이므로 이 또한 문제에서 제시한 그래프에서 log⁡100.72\displaystyle \log_{10}0.72의 값을 읽으면 간단한 곱셈을 통해 그 값을 구할 수 있다. 그래프를 보면 log⁡100.72≈−0.14\displaystyle \log_{10}0.72\approx-0.14로 그래프의 x 축에서 작은 눈금 7칸 밑에 있는 점에 해당함을 알 수 있다. 그러므로 log⁡100.72−32≈0.21\displaystyle \log_{10}0.72^{-\frac32}\approx0.21이고

+2점 · 근삿값 계산

log⁡100.72−32\displaystyle \log_{10}0.72^{-\frac32}은 그래프의 x 축에서 작은 눈금 10.5칸 위에 있는 점을 찾으면 x≈1.62\displaystyle x\approx1.62에서 log⁡10x≈0.21\displaystyle \log_{10}x\approx0.21이 됨을 근사적으로 구할 수 있다. 이 값을 넣어서 계산해 보면

121.5×((aVaE)−32−1)−1≈121.5×(1.62−1)−1=75.33−1≈74\displaystyle \begin{aligned}&121.5\times\left(\left(\frac{a_V}{a_E}\right)^{-\frac32}-1\right)-1\\&\approx121.5\times(1.62-1)-1\\&=75.33-1\approx74\end{aligned}

가 된다. (물론 이 계산은 정확한 계산은 아니다. log⁡100.72\displaystyle \log_{10}0.72가 그래프의 x축에서 작은 눈금 7칸 밑보다 약간 아래에 있으므로, 예를 들어 0.72−32\displaystyle 0.72^{-\frac32}을 1.63으로 근사한다면 76으로 계산된다.)

문제 1-1: 주기 대신 회전수를 사용해도 된다. 첫 단계가 부분적으로 맞으면 5점. 문제 1-2: 전체 식에 로그를 취하는 접근 등 부분적으로 맞으면 5점. 눈금의 정확한 값은 필요 없으며 설명이 대체로 타당하면 2점. 근삿값은 과정이 중요하며 계산이 정확하지 않아도 되나 최종값이 없거나 50보다 작거나 100보다 크면 1점.

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