수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

【문항 3 : 물리+수학(2)】[25점]■ 제시문을 읽고 주어진 논제에 대한 답안을 작성하시오.

[가] 두 개의 저항을 [그림 1]과 같이 연결하는 방법을 직렬연결이라 하고, [그림 2]와 같이 연결하는 방법을 병렬연결이라 한다. 크기가 R1\displaystyle R_1과 R2\displaystyle R_2인 두 개의 저항을 직렬 연결할 때, 합성 저항 R\displaystyle R은 각 저항의 합과 같다(R=R1+R2\displaystyle R=R_1+R_2). 그리고 크기가 R1\displaystyle R_1과 R2\displaystyle R_2인 두 개의 저항을 병렬 연결할 때, 합성 저항의 역수는 각 저항의 역수의 합과 같다(1R=1R1+1R2)\displaystyle \left(\frac1R=\frac1{R_1}+\frac1{R_2}\right).

두 저항의 직렬연결과 병렬연결
[그림 1] 직렬연결 [그림 2] 병렬연결

[나] 두 저항의 연결에 대한 흥미로운 예제를 생각해 보자. 예를 들어, 두 개의 저항 R1\displaystyle R_1과 R2\displaystyle R_2의 합이 상수 R\displaystyle R일 때, 합성저항의 변화를 생각해 보자. 두 저항이 직렬연결인 경우에는 합성저항이 R\displaystyle R이 되어 두 저항 각각의 값에 관계없이 일정한 반면, 병렬연결인 경우의 합성저항은 R1(R−R1)R\displaystyle \frac{R_1(R-R_1)}R이 되어, R1\displaystyle R_1의 함수로 얻어진다. 병렬연결의 합성저항은 두 저항이 같을 때, R4\displaystyle \frac R4에서 최대가 되며 그 외의 값에서는 감소한다.

[다] 저항에 흐르는 전류의 세기가 약하더라도 오랫동안 흐르면, 강한 전류를 잠시 동안 흘릴 때 발생하는 열량과 같은 열량을 얻을 수 있다. 이와 같이 세기가 다른 전류에 의하여 발생하는 열량을 비교할 때에는 1초 동안 공급되는 전기 에너지를 비교하면 편리하다. 전원에 의하여 1초 동안 공급되는 전기 에너지를 전력이라고 한다. 전압 V (V)\displaystyle V\,(\mathrm{V})가 걸린 도선에 I (A)\displaystyle I\,(\mathrm{A})의 전류가 시간 t (s)\displaystyle t\,(\mathrm{s})동안 흘렀다면, 전기 에너지는 W=VIt\displaystyle W=VIt이므로 전력 P\displaystyle P는P=VI=I2R=V2R\displaystyle P=VI=I^2R=\frac{V^2}R이 된다.

[라] 도선의 저항은 도선의 길이가 길수록 커지며 단면적이 클수록 작아진다. 이것은 도선의 길이가 길수록 자유전자와 금속 원자의 충돌 횟수가 많아져서 저항이 커지고, 도선의 단면이 클수록 단면을 통과하는 자유전자의 수가 많아져서 저항이 작아진다. 따라서 [그림 3]과 같은 도선의 저항 R\displaystyle R은 도선의 길이 L\displaystyle L에 비례하고 단면적 S\displaystyle S에 반비례한다. 비례상수를 ρ\displaystyle \rho라 하면 R=ρLS\displaystyle R=\rho\frac LS이다. 여기서 ρ\displaystyle \rho는 물질의 종류에 따라 정해지는 상수로서 물질의 비저항이라고 한다.

도선의 길이와 위치 x에서의 단면적 S(x)
[그림 3] [그림 4]

그러나 단면적이 도선의 위치에 따라 일정하지 않은 경우, 즉 [그림 4]와 같이 도선에 좌표축을 세우고 원점에서 위치 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이가 x\displaystyle x의 함수 S(x)\displaystyle S(x)로 주어지는 경우 도선의 저항은 다음과 같이 적분으로 주어진다.R=ρ∫0L1S(x) dx\displaystyle R=\rho\int_0^L\frac1{S(x)}\,dx

[마] 타원의 단축 및 장축 길이가 각각 2a,2b\displaystyle 2a,2b일 때, 타원의 면적 S\displaystyle S는 πab\displaystyle \pi ab이다. 장축과 단축이 같은 경우에는 원이 된다.

【논제】제시문에 주어진 내용을 바탕으로 다음을 기술하시오.

길이 L\displaystyle L인 도선으로 만들어진 저항이 있다. 도선의 비저항은 ρ\displaystyle \rho이다. 도선의 단면은 타원이며, 타원의 단축 및 장축의 길이는 도선의 위치에 따라 일정하게 변한다. 도선 시작 부분 단면의 단축 길이는 2a\displaystyle 2a이며, 장축 길이는 2b\displaystyle 2b이다. 도선 끝 부분 단면의 단축 길이는 2c\displaystyle 2c이며, 장축 길이는 2d\displaystyle 2d이다. 단, L=100 mm, ρ=π Ωmm, a=1 mm, b=2 mm, c=3 mm, d=3 mm\displaystyle L=100\,\mathrm{mm},\ \rho=\pi\,\Omega\mathrm{mm},\ a=1\,\mathrm{mm},\ b=2\,\mathrm{mm},\ c=3\,\mathrm{mm},\ d=3\,\mathrm{mm}이다.

(1) 이 도선 전체 길이에 대한 총 저항(Ω\displaystyle \Omega)을 구하시오. (10점)

(2) 이 도선 전체 길이를 둘로 나누어 2개의 저항을 만든 뒤, 전압이 1 (V)\displaystyle 1\,(\mathrm{V})인 건전지와 병렬로 연결할 때, 총 소비전력이 최소가 되기 위한 짧은 도선의 길이(mm\displaystyle \mathrm{mm})를 구하시오. (15점)

해설강의 준비중

(1) 도선 전체의 총 저항을 구하기 위해서는 도선의 단면적이 위치에 따라 다르기 때문에 다음의 적분값을 구해야 한다.R=ρ∫x=0x=L1S(x) dx,\displaystyle R=\rho\int_{x=0}^{x=L}\frac1{S(x)}\,dx,여기서 S(x)\displaystyle S(x)는 도선의 시작부분으로부터 x\displaystyle x만큼 떨어진 위치에서의 단면의 면적이며, 단면이 타원이기 때문에 타원의 단축 길이를 2a(x)\displaystyle 2a(x), 장축 길이를 2b(x)\displaystyle 2b(x)이라 하면 제시문 (마)에서 주어진 식에 따라 다음과 같다:S(x)=πa(x)b(x).\displaystyle S(x)=\pi a(x)b(x).단축 및 장축 반지름이 위치에 일정하게 변한다는 사실과 초기 조건으로부터 다음을 구할 수 있다:a(x)=c−aLx+a\displaystyle a(x)=\frac{c-a}Lx+ab(x)=d−bLx+b\displaystyle b(x)=\frac{d-b}Lx+b즉, 도선 전체의 총 저항 R\displaystyle R은R=∫x=0x=100dx(3−1100x+1)(3−2100x+2)\displaystyle R=\int_{x=0}^{x=100}\frac{dx}{\left(\frac{3-1}{100}x+1\right)\left(\frac{3-2}{100}x+2\right)}으로 주어진다. 적분값을 구하기 위해서는 적분함수를 부분분수로 나타내는 것이 편리할 것이다. 즉,R=∫x=0x=100dx(0.02x+1)(0.01x+2)=∫0100(2/30.02x+1−1/30.01x+2)dx={1003ln⁡(0.02x+1)−1003ln⁡(0.01x+2)}∣0100=1003ln⁡0.02x+10.01x+2∣0100=1003(ln⁡33−ln⁡12)=1003ln⁡2\displaystyle \begin{aligned}R&=\int_{x=0}^{x=100}\frac{dx}{(0.02x+1)(0.01x+2)}\\&=\int_0^{100}\left(\frac{2/3}{0.02x+1}-\frac{1/3}{0.01x+2}\right)dx\\&=\left.\left\{\frac{100}3\ln(0.02x+1)-\frac{100}3\ln(0.01x+2)\right\}\right|_0^{100}\\&=\left.\frac{100}3\ln\frac{0.02x+1}{0.01x+2}\right|_0^{100}\\&=\frac{100}3\left(\ln\frac33-\ln\frac12\right)=\frac{100}3\ln2\end{aligned}또는R=∫x=0x=100dx(x50+1)(x100+2)=∫x=0x=1005000 dx(x+50)(x+200)=5000150∫0100(1x+50−1x+200)dx=1003{ln⁡(x+50)−ln⁡(x+200)}∣0100=1003ln⁡x+50x+200∣0100=1003(ln⁡150300−ln⁡50200)=1003(ln⁡12−ln⁡14)=1003ln⁡2\displaystyle \begin{aligned}R&=\int_{x=0}^{x=100}\frac{dx}{\left(\frac{x}{50}+1\right)\left(\frac{x}{100}+2\right)}=\int_{x=0}^{x=100}\frac{5000\,dx}{(x+50)(x+200)}\\&=\frac{5000}{150}\int_0^{100}\left(\frac1{x+50}-\frac1{x+200}\right)dx\\&=\left.\frac{100}3\{\ln(x+50)-\ln(x+200)\}\right|_0^{100}\\&=\left.\frac{100}3\ln\frac{x+50}{x+200}\right|_0^{100}\\&=\frac{100}3\left(\ln\frac{150}{300}-\ln\frac{50}{200}\right)=\frac{100}3\left(\ln\frac12-\ln\frac14\right)=\frac{100}3\ln2\end{aligned}

(2) 도선 전체 길이를 둘로 나누어 구한 두 저항에 의한 총 소비전력이 최소가 되기 위해서는 두 저항의 합성저항이 최대가 되어야 한다. 제시문 (나)에 의하면, 두 저항이 동일하게 본래의 저항의 1/2이 될 때, 두 저항의 병렬연결의 합성저항이 최대가 되게 된다. 이 결과를 이용하여, 도선을 둘로 나눈 후, 짧은 길이를 y\displaystyle y라 할 때, 짧은 도선의 총 저항이 도선 전체의 총 저항값의 1/2이 되는 y\displaystyle y의 값을 구하면 된다. 즉, 식으로 표현하면 다음과 같다:∫x=0x=ydx(x50+1)(x100+2)=121003ln⁡2\displaystyle \int_{x=0}^{x=y}\frac{dx}{\left(\frac{x}{50}+1\right)\left(\frac{x}{100}+2\right)}=\frac12\frac{100}3\ln2위 식을 풀면 다음과 같다:∫x=0x=ydx(x50+1)(x100+2)=121003ln⁡2\displaystyle \int_{x=0}^{x=y}\frac{dx}{\left(\frac{x}{50}+1\right)\left(\frac{x}{100}+2\right)}=\frac12\frac{100}3\ln21003ln⁡x+50x+200∣0y=121003ln⁡2\displaystyle \left.\frac{100}3\ln\frac{x+50}{x+200}\right|_0^y=\frac12\frac{100}3\ln2ln⁡y+50y+200−ln⁡50200=12ln⁡2\displaystyle \ln\frac{y+50}{y+200}-\ln\frac{50}{200}=\frac12\ln24(y+50)y+200=2,4(y+50)=2(y+200)\displaystyle \frac{4(y+50)}{y+200}=\sqrt2,\quad4(y+50)=\sqrt2(y+200)y=200(2−1)4−2=100(32−2)7≈32,\displaystyle y=\frac{200(\sqrt2-1)}{4-\sqrt2}=\frac{100(3\sqrt2-2)}7\approx32,다른 도선의 길이는 약 100−32=68 mm\displaystyle 100-32=68\,\mathrm{mm}이므로, 답은 100(32−2)7 mm\displaystyle \frac{100(3\sqrt2-2)}7\,\mathrm{mm} (약 32 mm\displaystyle 32\,\mathrm{mm})이다.

평가 기준
주어진 제시문을 정확하게 이해하고 이를 바탕으로 각 논제에서 요구하는 문제를 파악하는 능력
적분, 평면기하 및 연립방정식 등의 고교 수학 과정에서 배우는 개념을 정확하게 이해하고 이에 수반되는 계산을 올바르게 수행할 수 있는 능력과 이를 물리에 활용할 수 있는 능력
물리 과목에서 다루는 최소한의 기본 개념을 이해하고 있는 정도
제시문에서 주어진 여러 가지 내용 중에서 논제 해결에 필요한 내용을 선별할 수 있는 능력
제시문에서 주어진 내용을 필요에 따라 일부 변형하여 논제 해결에 이용할 수 있는 능력
논제에서 요구하는 바를 해결하기 위해 제시문에 주어진 내용을 바탕으로 수식을 세우고 계산을 올바르게 수행하여 원하는 해답을 도출할 수 있는 능력
수식이 들어 있는 계산과정이나 증명과정을 일반 서술문과 함께 올바르게 그리고 논리적으로 기술할 수 있는 능력
자신의 견해를 문장으로 논리적으로 올바르게 전개할 수 있는 능력

첨삭 사례

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