수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

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

[가] 질량 m\displaystyle m인 물체가 기준면으로부터 높이 h\displaystyle h인 곳에 있을 때 mgh\displaystyle mgh만큼의 중력에 의한 위치 에너지를 가진다. 여기서 g\displaystyle g는 중력가속도이다. 이와 유사하게 탄성력에 의한 위치 에너지도 존재한다. 변형된 용수철에 매달려 있는 물체는 원래의 위치로 되돌아가려는 탄성력을 받는다. 용수철이 변형되기 전의 길이를 기준으로 길이 x\displaystyle x만큼 변형되면 ‘훅의 법칙’에 의해 x\displaystyle x에 비례하는 탄성력 F=−kx\displaystyle F=-kx가 생긴다. 여기서 k\displaystyle k를 ‘용수철 상수’ 혹은 ‘탄성 계수’라 한다. 이 용수철에 외부에서 힘을 가하여 원래의 길이에서 x\displaystyle x만큼 변형시키는 데 필요한 일은 12kx2\displaystyle \frac12kx^2이다. 즉 원래의 길이에서 x\displaystyle x만큼 변형된 용수철은 12kx2\displaystyle \frac12kx^2만큼의 에너지를 갖게 되고 이 에너지를 탄성력에 의한 위치 에너지라고 한다.

[나] 질량이 m\displaystyle m인 물체가 속력 v\displaystyle v로 운동하고 있을 때 이 물체는 12mv2\displaystyle \frac12mv^2의 운동 에너지를 갖게 된다. 이 운동 에너지와 제시문 [가]에서 설명한 위치 에너지의 합을 역학적 에너지라 한다. 물체가 운동을 할 때 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀌거나 반대로 운동 에너지가 위치 에너지로 바뀔 수 있다. 마찰이나 공기의 저항이 없이 중력이나 탄성력만 물체에 작용하는 경우 운동 에너지와 위치 에너지의 합인 역학적 에너지는 항상 일정하게 보존된다. 이를 역학적 에너지 보존의 법칙이라고 한다.

[다] 제시문 [가]와 [나]를 바탕으로 번지 점프를 하는 사람의 운동을 분석해 보자. [그림 1]과 같이 수면으로부터 높이가 H\displaystyle H인 점프대 위에서 번지 점프를 하는 사람이 있다. 몸에 연결된 탄성이 있는 줄은 변형되기 전의 길이가 L\displaystyle L이고 ‘훅의 법칙’을 따르며, 줄의 질량은 무시한다. 정지 상태인 사람이 점프대에서 연직 방향으로 낙하하고 이때 공기 저항은 무시한다. 사람의 위치에 따른 역학적 에너지의 변화를 살펴보면, 처음에 점프대 위에서의 역학적 에너지는 정지 상태이기 때문에 위치 에너지만 존재한다. 낙하를 시작하여 점프대로부터 거리 L\displaystyle L만큼 떨어질 때까지는 줄이 원래 길이보다 늘어나지 않기 때문에 중력에 의해 등가속도의 자유낙하를 하게 된다. 따라서 이 구간에서의 ‘역학적 에너지 = 운동 에너지 + 중력에 의한 위치 에너지’가 된다. 그 후 더 낙하하여 줄이 원래 길이 L\displaystyle L보다 길어지면 이제 아래쪽 방향의 중력 이외에도 줄이 늘어난 길이에 비례하는 탄성력이 위쪽 방향으로 작용하게 된다. 탄성력의 크기가 중력의 크기보다 커지는 순간부터는 낙하 속력이 감소하기 시작한다. 이 구간에서의 ‘역학적 에너지 = 운동 에너지 + 중력에 의한 위치 에너지 + 탄성력에 의한 위치 에너지’로 표현할 수 있다. 마지막으로 속력이 점점 줄어들어 멈추게 되면 이때는 ‘역학적 에너지 = 중력에 의한 위치 에너지 + 탄성력에 의한 위치 에너지’가 된다. 위의 모든 과정에서 역학적 에너지는, 그 형태는 바뀌지만 크기가 보존되기 때문에 역학적 에너지 보존 법칙을 이용하면 모든 위치에서 낙하 속력을 알아낼 수 있다.

높이 H에서 길이 L인 탄성줄을 매고 뛰어내리는 사람
[그림 1]

【논제】제시문에 주어진 내용을 바탕으로 다음을 기술하시오.

수면으로부터 높이가 H\displaystyle H인 점프대 위에서 질량이 m\displaystyle m인 사람이 번지 점프를 한다. 몸과 점프대를 연결한 탄성이 있는 줄은 변형되기 전의 길이가 L\displaystyle L이고 탄성 계수가 k\displaystyle k인 ‘훅의 법칙’을 따르는 줄로 가정한다. 점프대에서 정지 상태인 사람이 연직 방향으로 낙하하여 처음으로 멈추게 될 때까지의 운동 과정에 대해 아래 물음에 답하시오. 단, 중력가속도의 크기는 g\displaystyle g이고 줄의 질량은 무시한다. 그리고 사람은 크기가 없는 점 질량으로, 공기의 저항은 없는 것으로 가정한다.

(1) 사람이 점프대에서부터의 거리가 L\displaystyle L인 위치까지 낙하했을 때의 속력을 구하시오. (5점)

(2) 낙하를 시작하여 처음으로 멈출 때까지의 전체 과정에서 최대 속력을 구하시오. (10점)

(3) 수면에 가장 가까운 지점까지 낙하하여 처음으로 멈출 때 줄은 원래 길이에서 얼마나 더 늘어나는가? (10점)

해설강의 준비중

(1) 점프대에서부터의 거리가 L\displaystyle L인 위치까지 낙하하는 동안에는 탄성력이 작용하지 않으므로 중력에 의한 위치 에너지와 운동 에너지만 고려하면 된다. 점프대에서의 역학적 에너지는 위치 에너지인 mgH\displaystyle mgH만 있고, 점프대에서부터의 거리가 L\displaystyle L인 위치까지 낙하했을 때의 속력을 v1\displaystyle v_1이라 하면 이때의 역학적 에너지는 운동 에너지와 위치 에너지의 합인 12mv12+mg(H−L)\displaystyle \frac12mv_1^2+mg(H-L)이다. 역학적 에너지 보존의 법칙에 의해 mgH=12mv12+mg(H−L)\displaystyle mgH=\frac12mv_1^2+mg(H-L), 따라서 v1=2gL\displaystyle v_1=\sqrt{2gL}이다.

(2) 낙하를 시작하여 점프대로부터 L\displaystyle L인 위치까지는 중력 mg\displaystyle mg에 의한 등가속도 운동을 하여 속력이 증가하고 줄이 늘어나기 시작하면 탄성력 −kx\displaystyle -kx가 작용하여 (x\displaystyle x는 줄이 늘어난 길이) 탄성력의 크기가 중력보다 커지면 속력이 줄어들게 된다. (즉, kx=mg\displaystyle kx=mg일 때 속력이 최대가 된다). 줄이 x\displaystyle x만큼 늘어났을 때의 속력을 v\displaystyle v라 하면 이때의 총 역학적 에너지는 운동 에너지 12mv2\displaystyle \frac12mv^2, 중력에 의한 위치 에너지 mg(H−L−x)\displaystyle mg(H-L-x) 그리고 탄성력에 의한 위치 에너지 12kx2\displaystyle \frac12kx^2의 합이 된다. 따라서 역학적 에너지 보존의 법칙에 의해 mgH=12mv2+mg(H−L−x)+12kx2\displaystyle mgH=\frac12mv^2+mg(H-L-x)+\frac12kx^2, 따라서 v2=−kmx2+2g(L+x)\displaystyle v^2=-\frac kmx^2+2g(L+x). 그러므로 x=mgk\displaystyle x=\frac{mg}k일 때 v2\displaystyle v^2은 최대가 되고 v\displaystyle v의 최댓값은 2gL+mg2k\displaystyle \sqrt{2gL+\frac{mg^2}k}가 된다.

(3) 수면에 가장 가까운 지점까지 낙하하여 정지했을 때는 운동 에너지가 0\displaystyle 0이 되므로 이때의 총 역학적 에너지는 중력에 의한 위치 에너지 mg(H−L−x)\displaystyle mg(H-L-x)과 탄성력에 의한 위치 에너지 12kx2\displaystyle \frac12kx^2의 합이 된다. 역학적 에너지 보존의 법칙에 의해mgH=mg(H−L−x)+12kx2\displaystyle mgH=mg(H-L-x)+\frac12kx^2이다. 이것은 x\displaystyle x에 관한 2차 방정식이고 그 해는 mg+m2g2+2kmgLk\displaystyle \frac{mg+\sqrt{m^2g^2+2kmgL}}k이다. (여기서 또 다른 해인 mg−m2g2+2kmgLk\displaystyle \frac{mg-\sqrt{m^2g^2+2kmgL}}k는 음의 값으로 용수철과 같이 수축 변형이 일어나는 경우이므로 허근이 된다.)Correction. 여기서 제외한 값은 허수가 아니라 음의 실근이다. 줄이 늘어난 길이 x\displaystyle x는 음이 아니어야 하므로 이 문제의 해에서 제외한다. 그러나 원문의 ‘허근’이라는 표현은 수록 원칙에 따라 그대로 실었다.

평가 기준
위치 에너지, 운동 에너지 등의 물리량을 수식으로 올바르게 표현하는 능력
물리 법칙을 구체적 상황에 적용하는 능력
고교 수학 과정에서 배우는 함수의 최댓값, 방정식의 근을 구하는 능력

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