수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
2-A (1) · - 허블 상수의 역수가 우주의 나이 - 1/H=r/v=320만광년70 km/s=320×104×3×105 km/s70 km/s137억년\displaystyle 1/H=r/v=\frac{320\text{만광년}}{70\ \mathrm{km/s}}=\frac{320\times10^4\text{년}\times3\times10^5\ \mathrm{km/s}}{70\ \mathrm{km/s}}\sim137\text{억년}

문제 2-A(1) 제시문에 따라 허블 상수의 역수가 우주의 나이가 된다. 논제에서 주어진 데이터를 활용하여 허블 상수의 역수를 다음과 같이 계산한다.1/H=r/v=320만광년70 km/s=320×104×3×105 km/s70 km/s137억년\displaystyle 1/H=r/v=\frac{320\text{만광년}}{70\ \mathrm{km/s}}=\frac{320\times10^4\text{년}\times3\times10^5\ \mathrm{km/s}}{70\ \mathrm{km/s}}\sim137\text{억년}

2-A (2) · - vAB\displaystyle v_{AB}vOA\displaystyle -v_{OA}vOB\displaystyle v_{OB}의 벡터합임 - vAB=H×rAB\displaystyle v_{AB}=H\times r_{AB}

(2) 1) 벡터 이용(거리와 속도를 벡터로 고려. 벡터 표시는 하지 않음)vAB=vOBvOA\displaystyle v_{AB}=v_{OB}-v_{OA}이고, rAB=rOBrOA\displaystyle r_{AB}=r_{OB}-r_{OA}이다.따라서 vAB=vOBvOA=H×rOBH×rOA=H×(rOBrOA)=H×rAB\displaystyle v_{AB}=v_{OB}-v_{OA}=H\times r_{OB}-H\times r_{OA}=H\times(r_{OB}-r_{OA})=H\times r_{AB}가 된다.2) (닮은꼴 이용) 속도를 그림으로 표현하면, 다음과 같다.

은하 위치와 속도 벡터의 삼각형 닮음

vOA\displaystyle v_{OA}vOB\displaystyle v_{OB}가 각각 rOA\displaystyle r_{OA}rOB\displaystyle r_{OB}의 크기에 비례한다. 은하의 위치를 나타내는 삼각형과 은하의 속도를 나타내는 삼각형에 대해 SAS 닮음 조건을 만족하므로 두 삼각형은 닮은꼴이 되고, 닮음비는 허블 상수이다. 따라서 vAB\displaystyle v_{AB}의 크기는 rAB\displaystyle r_{AB}에 비례하여, 허블 법칙 vAB=H×rAB\displaystyle v_{AB}=H\times r_{AB}를 만족한다.3) 은하 A, B가 은하 O와의 거리에 비례하여 후퇴함에 따라 커지는 은하의 위치 삼각형에서 θ1\displaystyle \theta_1θ2\displaystyle \theta_2는 변하지 않는다. 따라서, vAB\displaystyle v_{AB}를 구해보면,

팽창 전후 은하 삼각형과 변하지 않는 각 θ1, θ2

rAB=rOAcosθ1+rOBcosθ2\displaystyle r_{AB}=r_{OA}\cos\theta_1+r_{OB}\cos\theta_2vAB=drABdt=drOAdt×cosθ1+drOBdt×cosθ2=vOAcosθ1+vOBcosθ2=H×rOAcosθ1+H×rOBcosθ2=H×(rOAcosθ1+rOBcosθ2)=H×rAB\displaystyle \begin{aligned}v_{AB}&=\frac{dr_{AB}}{dt}=\frac{dr_{OA}}{dt}\times\cos\theta_1+\frac{dr_{OB}}{dt}\times\cos\theta_2\\&=v_{OA}\cos\theta_1+v_{OB}\cos\theta_2\\&=H\times r_{OA}\cos\theta_1+H\times r_{OB}\cos\theta_2\\&=H\times(r_{OA}\cos\theta_1+r_{OB}\cos\theta_2)\\&=H\times r_{AB}\end{aligned}그러므로, vAB\displaystyle v_{AB}에 대해 허블 법칙이 만족된다.

2-B (1) · - 용액에서 [H+]=[H+]+[H+]\displaystyle [\mathrm{H^+}]_{\text{총}}=[\mathrm{H^+}]_{\text{산}}+[\mathrm{H^+}]_{\text{물}}, [OH]=[OH]=[H+]=x\displaystyle [\mathrm{OH^-}]_{\text{총}}=[\mathrm{OH^-}]_{\text{물}}=[\mathrm{H^+}]_{\text{물}}=xKw=[H+][OH]=(1.0×107+x)x=1.0×1014\displaystyle K_w=[\mathrm{H^+}]_{\text{총}}[\mathrm{OH^-}]_{\text{총}}=(1.0\times10^{-7}+x)x=1.0\times10^{-14}[H+]=1+52×107(M)\displaystyle [\mathrm{H^+}]_{\text{총}}=\frac{1+\sqrt5}2\times10^{-7}(\mathrm M)

문제 2-B1) 산 용액에서 총 [H+]\displaystyle [\mathrm{H^+}]은 산의 해리로 생성된 것과 물의 자동 이온화로 생성된 양의 합이다.[H+]=[H+]+[H+]=1.0×107+x\displaystyle [\mathrm{H^+}]_{\text{총}}=[\mathrm{H^+}]_{\text{산}}+[\mathrm{H^+}]_{\text{물}}=1.0\times10^{-7}+xOH\displaystyle \mathrm{OH^-}은 물의 자동 이온화로 생성되므로,[OH]=[OH]=[H+]=x\displaystyle [\mathrm{OH^-}]_{\text{총}}=[\mathrm{OH^-}]_{\text{물}}=[\mathrm{H^+}]_{\text{물}}=x물의 이온곱 상수는 일정하므로,Kw=[H+][OH]=(1.0×107+x)x=1.0×1014\displaystyle K_w=[\mathrm{H^+}]_{\text{총}}[\mathrm{OH^-}]_{\text{총}}=(1.0\times10^{-7}+x)x=1.0\times10^{-14}이차 방정식의 풀이를 통해 x\displaystyle x를 구한다.x2+1.0×107x1.0×1014=0\displaystyle x^2+1.0\times10^{-7}x-1.0\times10^{-14}=0x=1+52×107(x>0)\displaystyle x=\frac{-1+\sqrt5}2\times10^{-7}\quad(\because x>0)따라서 [H+]=1.0×107+x=1+52×107(M)\displaystyle [\mathrm{H^+}]_{\text{총}}=1.0\times10^{-7}+x=\frac{1+\sqrt5}2\times10^{-7}(\mathrm M).위 결과로 물의 자동 이온화에 의한 [H+]\displaystyle [\mathrm{H^+}]을 무시할 수 없음을 알 수 있다.

2-B (2) · - 처음 0.10 M 염산(HCl) 10.0 mL에 들어 있는 이온의 몰 수 n=2.0×103\displaystyle n=2.0\times10^{-3} 몰 (mole) - 1. V<5.0\displaystyle V<5.0 mL : n=2.0×103\displaystyle n=2.0\times10^{-3} 몰 (mole) 2. V5.0\displaystyle V\ge5.0 mL : n=4.0×V×104\displaystyle n=4.0\times V\times10^{-4} 몰 (mole) - 그림

(2) 처음 0.10 M 염산(HCl) 10.0 mL에 들어 있는 이온의 몰수: n\displaystyle nn=n(H+)+n(Cl)=0.10×10.0×103+0.10×10.0×103=2.0×103\displaystyle n=n(\mathrm{H^+})+n(\mathrm{Cl^-})=0.10\times10.0\times10^{-3}+0.10\times10.0\times10^{-3}=2.0\times10^{-3} 몰 (mole)당량점인 V=5.0\displaystyle V=5.0 mL에서 처음 H+\displaystyle \mathrm{H^+}과 첨가된 OH\displaystyle \mathrm{OH^-}이 같아지므로, V=5.0\displaystyle V=5.0 mL 전후 상황을 다르게 고려한다.1) V<5.0\displaystyle V<5.0 mL첨가한 NaOH은 HCl과 모두 반응, 둘 다 100% 이온화하므로Na++OH+H++Cl  H2O+Na++Cl\displaystyle \mathrm{Na^++OH^-+H^++Cl^-\ \longrightarrow\ H_2O+Na^++Cl^-}사라지는 H+\displaystyle \mathrm{H^+}만큼 Na+\displaystyle \mathrm{Na^+}이 생기므로 전체 이온의 몰 수는 2.0×103\displaystyle 2.0\times10^{-3} 몰로 일정하다.2) V5.0\displaystyle V\ge5.0 mLHCl이 모두 반응하였으므로 추가로 들어간 NaOH이 해리되어 용액의 이온 몰 수가 증가한다.n=2.0×103+2×(V5.0)×0.20×103=2.0×0.20×V×103=4.0×V×104\displaystyle \begin{aligned}n&=2.0\times10^{-3}+2\times(V-5.0)\times0.20\times10^{-3}\\&=2.0\times0.20\times V\times10^{-3}\\&=4.0\times V\times10^{-4}\end{aligned} 몰 (mole) (등호가 1의 경우에 있어도 무방함.)이를 그래프로 그리면 다음과 같다. (그림 1)

첨가 부피 V에 대한 총 이온 몰 수 그래프, 그림1
2-B (3) · - 총 이온의 농도 1. V<5.0\displaystyle V<5.0 mL : c=2.010.0+V\displaystyle c=\frac{2.0}{10.0+V} 2. V5.0\displaystyle V\ge5.0 mL : c=0.4×V10.0+V\displaystyle c=\frac{0.4\times V}{10.0+V} - 이온의 농도가 최소가 되는 NaOH의 부피 V=5.0\displaystyle V=5.0 mL - V=5.0\displaystyle V=5.0 mL에서 최소가 되는 근거를 합리적으로 기술

(3) 총 이온의 농도, c=\displaystyle c=(총 이온 몰 수)/(총 부피)이므로1) V<5.0\displaystyle V<5.0 mLV=10.0+V\displaystyle V_{\text{총}}=10.0+Vc=2.0×0.10×10.010.0+V=2.010.0+V\displaystyle c=\frac{2.0\times0.10\times10.0}{10.0+V}=\frac{2.0}{10.0+V}2) V5.0\displaystyle V\ge5.0 mLc=4.0×0.10×V10.0+V=0.4×V10.0+V\displaystyle c=\frac{4.0\times0.10\times V}{10.0+V}=\frac{0.4\times V}{10.0+V} (등호가 1의 경우에 있어도 무방함.) (그림 2 참조)

첨가 부피 V에 대한 총 이온 농도 그래프, 그림2

위 결과로 총 이온의 농도가 최소가 되는 NaOH의 부피는 5.0 mL 이다.(그래프의 개략적인 모양만 사용하거나 위 두 구간의 양 끝점에서의 값을 비교하여 보여도 무방함.)

- 가점 요인: 글의 논리성, 정확한 근거의 논리적 제시, 서술 능력 등을 종합적으로 판단하여 점수를 결정

- 감점 요인: 비문, 비논리적 전개, 기본 글쓰기 불량(띄어쓰기, 맞춤법 불량 등), 부적절한 단위를 사용한 경우, 불완전한 수식의 표현

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