숭실대 2014학년도 모의논술 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/ssu/2014mo/jayeon_2
문제
【문제 2】
문제 2-A 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (20점)
최근 화성에 착륙한 미국 NASA의 우주탐사로봇 Curiosity는 ChemCam이라는 분광계를 이용하여 화성 암석의 표면 성분을 분석하고 있다. 이 분광기는 암석 표면에 강력한 레이저 광선을 쏘아 구성 암석의 원소가 내보내는 빛의 스펙트럼을 분석하는 장치이다. 이 장치는 최대 7 미터 떨어진 암석을 분석할 수 있도록 설계되었다. 이러한 예에서 알 수 있는 것처럼 레이저의 과학적 이용에는 레이저의 출력세기 외에도 레이저 광선의 퍼짐현상, 초점심도 등을 조절하는 것이 필요하다.
(1) 레이저 광선의 퍼짐은 레이저 광선 단면의 반지름 를 써서 기술할 수 있다. 레이저 광선이 진행하는 방향으로 좌표축 를 잡고 레이저 광선이 발사되는 위치를 이라 하자. 는 가 증가함에 따라 다음 관계식에 의해 점점 증가하게 된다.이 식에서 는 에서의 광선 단면의 반지름, 는 레이저 광선의 파장이다. 분광계로부터 만큼 떨어진 암석 표면에 입사되는 광선 단면적이 최소가 되도록 를 조절하고자 한다. 이 때 암석 표면에 입사되는 광선의 단면적을 구하시오.
(2) 분광기에 렌즈를 삽입하면 레이저 광선을 더 멀리 보낼 수 있다. 렌즈를 이용하여 단면 반지름을 의 크기로 모아주는 경우에도 위의 관계식이 적용된다. 이 때, 광선이 의 크기로 모아진 지점의 위치를 으로 잡는다 (아래 그림 참조). 광선의 단면 반지름이 의 5/4인 위치 간의 거리를 초점심도 로 정의하자. 초점심도 를 구하시오.

문제 2-B 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (30점)
지구에 대기가 존재하지 않으면 태양에서 받는 빛에너지를 그대로 다시 방출할 것이다. 이러한 이론에 따라 계산해 보면 지구 표면의 온도는 약 −20℃까지 떨어지게 된다. 현재 지구의 평균기온은 약 15℃이기 때문에 30℃가 넘는 차이가 나는데, 이 차이가 바로 온실효과 때문에 생긴다. 핵융합 반응에 의해 고온을 유지하고 있는 태양은 태양복사에너지를 지구로 방출한다. 하지만 지구는 모든 태양복사에너지를 흡수하지 않고, 일부를 대기권에서 우주를 향하여 반사시키고, 나머지는 대기권이 지표면에서 반사 된 지구복사에너지를 흡수 후 주위에 재방출하여 복사평형을 유지한다. 위를 향한 재복사는 우주로 날아나지만, 아래를 향하는 재복사는 다시 지표면을 데운다. 이때 대기 중에 있는 여러 가지 온실기체는 지구가 방출하는 긴 파장의 빛을 흡수하여 그 에너지를 대기 중에 묶어 두게 된다. 이렇게 대기 중에 들어온 에너지는 기체 분자의 운동량을 증가시켜 대기의 온도가 상승한다. 즉, 현재의 온난화 현상이 있기 이전에도 온실효과는 지구의 대기와 함께 항상 있어 왔던 현상인 것이다. 여기에는 (수증기), , 와 같은 온실기체가 관여하고 있으며 특히 가 가장 큰 작용을 한다. 지구온난화가 일어나는 것은 대기 중에 붙잡혀 있는 에너지의 양 자체가 증가한데 그 이유가 있다.
(1) 햇볕이 내리쬐는 동안 외벽이 유리인 건물의 내부 온도가 외부에 비해서 높아지는 이유를 위 제시문과 아래의 두 그래프들을 참고하여 설명하시오.

(2) 지구 온난화 방지 및 화석에너지 소비 감소를 위해 정남향으로 배치된 서울지역 어떤 건축물 옥상에 태양광 전지판을 설치하고자 한다. 태양광 전지판의 발전효율이 가장 클 때는 정남향으로 설치될 때이고, 서울지역에서 태양은 지면으로부터의 각도가 평균 55°에 위치한다. 이 건물의 옥상에 아래의 조건을 만족하도록 설치할 수 있는 태양광 전지판의 최대 개수를 구하시오. [sin35°=0.57, cos35°=0.82, tan35°=0.70]
[조건]
· 건축물 옥상은 가로, 세로 각각 30m인 정사각형 모양이다.
· 태양광 전지판 한 장의 크기는 가로, 세로 각각 1.0m 이다.
· 태양광 전지판의 설치각도는 지면으로부터 35°로 한다.
· 서울지역에서 태양이 정남향에 지면으로부터 각도가 55°인 위치에 있을 때를 기준으로,- 태양광 전지판의 그림자가 다른 전지판을 가리지 않도록 설치한다.- 태양광 전지판의 그림자가 옥상면을 벗어나지 않도록 설치한다.
· 태양광 전지판의 설치 최대 개수 계산 시 태양광 전지판의 두께는 무시한다.
· 태양광 전지판의 설치 또는 수리에 필요한 사람의 이동 공간 확보는 고려하지 않는다.
(3) 만약 태양이 정남향에 지면으로부터의 각도가 85°인 위치에 있을 때 (2)번에서 설치한 전지판에 입사하는 태양광 에너지의 양은 (2)번의 경우, 즉 태양의 각도가 55°인 경우에 비하여 어떤 것일지 계산하시오. 단, 태양의 지면으로부터의 각도를 제외한 모든 조건은 동일하다. 그리고 단위 시간당 전지판에 입사하는 태양광 에너지의 양은 태양 광선이 전지판에 비추어질 때 태양 광선에 수직이 되는 가상의 평면에 생기는 그림자의 면적에 비례한다.
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문제 2-A(1) 광선의 단면적은이므로, 이를 최소화하는 값을 찾기 위해 위의 식을 로 미분한 일차도함수를 구하자.로 미분한 일차도함수 가 음에서 양으로 변하는 점을 찾으면 되는데, 이차도함수가 항상 양의 값을 가지므로, 일차도함수가 증가함수이고, 따라서 위의 일차도함수를 0으로 만드는 점을 찾으면 된다. 즉, 을 풀면을 얻고, 따라서이다. 이를 면적의 식에 대입하면를 얻는다.
(2) 단면 반지름이 의 5/4가 되는 위치, 즉 를 만족하는 값을 라 하면,이다. 양변에서 를 소거하면를 얻고, 이를 정리하면이다. 초점 심도 는 이 두 위치 간의 거리이므로 이다.
문제 2-B(1) 제시문에서 설명한 것과 같은 온실효과에 의한 현상이다. 즉, 오른쪽 그래프에서 보듯이 태양복사선은 파장이 로 짧은 반면에, 실온의 물체로부터 방출되는 빛은 파장이 이상으로 긴 장파 적외선이다. 그런데, 왼쪽 그래프에서 보면 유리는 파장이 짧은 빛 ()은 투과를 잘 시키지만 파장이 긴 빛은 투과시키지 못한다. 따라서 외벽이 유리인 건물에 햇빛이 내리쬘 때 태양복사선은 유리를 쉽게 투과하여 건물 내부에 도달하고 건물 내부 물체들의 온도를 올리게 되지만, 건물 내부의 물체들이 내어놓는 파장이 긴 빛들은 유리를 투과하지 못하므로 유리 창사 내부에 그 에너지가 머무르게 된다. 이러한 온실효과 때문에 유리 창사는 햇볕이 내리쬘 때 외부보다 그 내부의 온도가 높게 유지된다.
(2) 전지판은 지면으로부터 35°의 각도로 정남향으로 설치되고, 태양광은 지면으로부터 55°의 각도로 비추므로 태양광이 전지판에 입사하는 각도는 아래 그림과 같이 이다.

위 그림에서 전지판 한 장의 그림자 세로 길이는 미터이다. 따라서 옥상면의 세로 방향으로 전지판이 장이 설치될 수 있다면, 은 다음 식을 만족하여야 한다. (은 양의 정수)따라서 은을 만족하는 가장 큰 양의 정수이므로, 임을 알 수 있다. 즉, 옥상면의 세로방향으로는 전지판을 최대 24장 설치할 수 있다.한편 전지판 한 장의 그림자 가로 길이는 전지판의 가로 길이와 동일하게 1 미터이므로, 옥상면의 가로방향으로는 전지판을 30장 설치할 수 있다.따라서 옥상면에 설치할 수 있는 태양광 전지판의 최대 개수는 장이다.
(3) 전지판에 대한 태양광선의 입사각은 문제(2)의 경우는 90°이다. 한편, 이번 경우의 그 입사각은이다 (아래 해설그림 참조).

이 경우 태양 광선에 수직인 가상의 평면에 생기는 전지판 그림자의 면적은 전지판 면적의 이다.
따라서 이 경우 전지판에 입사하는 태양광 에너지의 양은 (2)번 경우의 이다.
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