고등 통합과학 자유 낙하 운동, 수평 방향으로 던진 물체의 운동 예상문제

자유 낙하 운동
{유형 분석}
이 문항은 자유 낙하 운동에서 속력-시간 그래프를 해석하여 등가속도 운동의 특징(가속도 일정, 힘 일정)을 이해하고 있는지를 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
그래프는 원점을 지나는 직선으로, 1초일 때 속력 10 m/s, 2초일 때 속력 20 m/s이다. 기울기가 일정하므로 가속도는 10 m/s²으로 일정하며, 이는 중력 가속도에 해당한다.
{정답 찾기}
ㄱ. v-t 그래프의 기울기가 일정(10 m/s²)하므로 가속도는 일정하다. (O)
ㄴ. 자유 낙하하는 물체에 작용하는 힘은 중력(mg)뿐이며 질량이 일정하므로 시간에 따라 힘의 크기는 변하지 않는다. (X)
ㄷ. 1초일 때 속력 10 m/s, 2초일 때 속력 20 m/s이므로 2초일 때 속력은 1초일 때의 2배이다. (O)
따라서 옳은 것은 ㄱ, ㄷ이므로 정답은 ④이다.
{오답 피하기}
등가속도 운동에서 가속도가 일정한 것과 속력이 일정하게 증가하는 것은 다른 개념이며, 힘(중력)의 크기는 가속도와 달리 시간에 따라 변하지 않는다는 점에 유의한다.

[최종 정답]
정답은 4번 「ㄱ, ㄷ」이다.

자유 낙하 운동, 수평 방향으로 던진 물체의 운동
{유형 분석}
수평 방향으로 던진 물체의 운동을 수평 방향(등속 직선 운동)과 연직 방향(자유 낙하 운동)으로 분해하여 분석할 수 있는지 평가하는 전형적인 문항이다.
{자료 분석}
그림에서 점선으로 연결된 A, B의 위치는 같은 시간에서의 높이가 서로 같음을 보여준다. 이는 수평 방향 운동이 연직 방향 운동에 영향을 주지 않기 때문이다.
{정답 찾기}
ㄱ. 연직 방향 운동은 A, B 모두 자유 낙하 운동과 동일하므로 같은 시간 동안 낙하한 연직 거리는 서로 같다. (O)
ㄴ. B의 수평 방향으로는 힘이 작용하지 않으므로(공기 저항 무시) 등속 직선 운동을 하여 수평 속력이 일정하다. (O)
ㄷ. A는 연직 방향 속력만 가지지만 B는 연직 방향 속력과 수평 방향 속력을 모두 가지므로, 지면 도달 순간 B의 속력(합속력)이 A보다 크다. 따라서 두 속력은 같지 않다. (X)
{오답 피하기}
수평으로 던진 물체는 연직 방향으로는 자유 낙하와 동일하게 운동하지만, 전체 속력(합속력)은 수평 속력 성분이 더해져 자유 낙하하는 물체보다 크다는 점에 유의해야 한다.

[최종 정답]
정답은 1번 「ㄱ, ㄴ」이다.

자유 낙하 운동, 수평 방향으로 던진 물체의 운동
{유형 분석}
자유 낙하 운동과 수평으로 던진 물체의 운동을 비교하여 연직 방향과 수평 방향 운동의 독립성을 이해하는 문항이다.
{자료 분석}
수평으로 던진 물체 B의 운동은 수평 방향으로는 등속도 운동, 연직 방향으로는 자유 낙하 운동으로 분해할 수 있다. 따라서 연직 방향의 운동은 자유 낙하하는 A와 동일하다.
{정답 찾기}
ㄱ. 연직 방향 운동은 두 물체 모두 자유 낙하 운동으로 동일하므로 B의 낙하 거리가 A보다 크다는 설명은 옳지 않다.(X)
ㄴ. B의 수평 방향은 중력의 영향을 받지 않는 등속도 운동이므로 속력이 일정하게 유지되어 옳다.(O)
ㄷ. 연직 방향 운동이 같으므로 A와 B는 동시에 지면에 도달하여 걸리는 시간이 같으므로 옳다.(O)
{오답 피하기}
수평으로 던진 물체의 운동은 수평 방향(등속도)과 연직 방향(자유 낙하)의 독립적인 운동을 합성한 것이라는 점이 핵심이다.

[최종 정답]
정답은 4번 「ㄴ, ㄷ」이다.

자유 낙하 운동, 수평 방향으로 던진 물체의 운동
{유형 분석}
수평으로 던진 물체 운동에서 수평 방향(등속도)과 연직 방향(등가속도, 자유낙하)의 독립적인 운동 특성을 이해하는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
일정한 시간 간격으로 표시된 위치들에서, 수평 방향 간격은 일정하고 연직 방향 간격은 점점 커지는 것이 포물선 운동의 특징이다.
{정답 찾기}
ㄱ. 수평 방향으로는 힘이 작용하지 않아(공기저항 무시) 등속도 운동을 하므로 각 구간의 수평 이동 거리가 같다. (O)
ㄴ. 연직 방향으로는 중력만 작용하는 자유 낙하와 같은 등가속도 운동을 하므로 시간이 지날수록 연직 이동 거리가 증가한다. (O)
ㄷ. 수평 방향으로는 공기 저항을 무시하면 작용하는 힘이 없으므로(관성) 수평 속력은 일정하게 유지되며 증가하지 않는다. (X)
따라서 옳은 것은 ㄱ, ㄴ이며, 이는 ①번이다.

[최종 정답]
정답은 1번 「ㄱ, ㄴ」이다.

자유 낙하 운동, 수평 방향으로 던진 물체의 운동
{유형 분석}
이 문항은 수평으로 던진 물체의 운동을 수평 방향의 등속 직선 운동과 연직 방향의 자유 낙하 운동으로 나누어 분석할 수 있는지를 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
수평으로 던진 물체는 수평 방향으로는 등속 직선 운동을, 연직 방향으로는 자유 낙하 운동을 동시에 한다. 연직 방향 낙하 거리 $h=\frac{1}{2}g{t}^2$이고, 수평 방향 이동 거리는 $x=v_0\times (\text{낙하 시간})$이다.
{정답 찾기}
ㄱ. $20=\frac{1}{2}\times 10\times (\text{낙하 시간}{)}^2$에서 (낙하 시간)${}^2=4$이므로 낙하 시간은 2초이다. 옳은 설명이다. (O)
ㄴ. 수평 방향은 등속 직선 운동이므로 이동 거리는 $5\text{ m/s}\times 2\text{ s}=10\text{ m}$이다. 옳은 설명이다. (O)
ㄷ. 연직 방향은 중력에 의해 일정하게 가속되는 자유 낙하 운동이므로 시간이 지날수록 속력이 증가한다. 따라서 옳지 않은 설명이다. (X)
{오답 피하기}
수평으로 던진 물체의 운동에서 수평 방향 속력은 일정하지만, 연직 방향 속력은 시간에 따라 계속 증가한다는 점을 혼동하지 않아야 한다.

[최종 정답]
정답은 1번 「ㄱ, ㄴ」이다.

자유 낙하 운동, 수평 방향으로 던진 물체의 운동
{유형 분석}
이 문항은 수평으로 던진 물체의 운동을 수평 방향(등속 직선 운동)과 연직 방향(자유 낙하, 등가속도 운동)으로 나누어 분석할 수 있는지를 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
공기 저항이 없을 때 수평으로 던진 물체는 수평 방향으로는 힘이 작용하지 않아 등속 직선 운동을 하고, 연직 방향으로는 중력에 의해 등가속도 운동(자유 낙하와 동일한 가속도)을 한다. 그림에서 같은 시간 간격 동안 수평 이동 거리는 일정하지만 연직 이동 거리는 점점 증가한다.
{정답 찾기}
ㄱ. 수평 방향으로는 힘이 작용하지 않으므로 수평 속력은 일정하며 증가하지 않는다. (X)
ㄴ. 연직 방향으로는 중력만 작용하므로 자유 낙하와 같은 등가속도 운동을 한다. (O)
ㄷ. 문제에서 A, B, C는 일정한 시간 간격으로 지나는 위치이므로 A→B와 B→C에 걸린 시간은 같다. (O)
따라서 옳은 것은 ㄴ, ㄷ이므로 정답은 ④이다.
{오답 피하기}
수평 방향의 등속 운동과 연직 방향의 등가속도 운동을 각각 독립적으로 분석해야 하며, 포물선의 경로 모양만 보고 속력이 계속 증가한다고 판단(수평 속력까지 증가한다고 오해)하지 않도록 주의한다.

[최종 정답]
정답은 4번 「ㄴ, ㄷ」이다.