[22~25] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.
고체의 표면에 힘이 작용할 때 압력은 그 힘이 작용한 원래의 방향으로만 고체를 통해 전달된다. 의자에 앉으면 체중은 의자의 다리들로 전달되고 그 압력이 바닥으로 전달된다. 그러나 유체에서는 힘이 일으키는 압력이 유체를 통해 전달되어 모든 면에 ㉠미친다. 예를 들어 치약 튜브의 옆면을 누르면 치약이 주둥이에서 빠져나온다. 유체의 이러한 성질은 ‘파스칼의 원리’ 때문인데, 이 원리는 다양한 분야에 활용되고 있다.
파스칼의 원리는 “갇힌 유체에 가해지는 압력은 유체의 모든 부분과 용기의 벽에 약해지지 않고 전달된다.”로 정의된다. 이때 압력이란 단위 면적에 가해지는 힘을 말한다. 그러므로 압력의 단위인 파스칼(Pa)은 힘의 단위인 뉴턴(N)을 면적의 단위인 제곱미터(m2)로 나눈 것에 해당한다. 이는 동일한 크기의 힘이라도 좁은 면적에 가해지면 압력이 증가한다는 의미이다. 역으로 어떤 작은 정사각형의 면에 가해진 압력에 그 정사각형의 면적을 곱해 주면 그 면에 가해지는 힘을 구할 수 있다.
유압식 브레이크 시스템이나 지게차와 같이 작은 힘을 주어 큰 힘을 내게 하는 장치들은 바로 이런 원리를 이용하는 것이다. 이런 장치들은 설계에 따라 힘을 주는 방향을 달리할 수도 있고 중력을 이용할 수도 있는데, 기본적인 원리는 도르래나 지레와 같다. 작은 피스톤은 단면적이 작기 때문에 같은 부피의 유체를 밀어내기 위해서는 힘은 적게 들이지만 더 많은 거리를 이동해야 한다. 일은 물체에 가해진 힘과 이동 거리의 곱으로 표현이 되는데, 작은 피스톤은 작은 힘으로 긴 거리를 이동하는 데 비해 큰 피스톤은 큰 힘으로 짧은 거리를 이동하므로 두 피스톤이 유체에 작용한 일은 같게 된다. 이는 마치 지레에서 받침점을 무거운 물체 쪽에 가까이 두면 적은 힘으로 무거운 물체를 들 수 있지만, 같은 높이만큼 물체를 들어올리기 위해서 더 많은 거리를 눌러 주어야 하는 것과 같은 원리이다.
*수력학: 주로 기계 공학 분야에서 유체의 여러 현상의 측정, 유체 기계의 설계 등을 위해 발달한 과학.
22 다음 사례들 중 ‘파스칼의 원리’로 설명하기 어려운 것은?
① 철사의 양쪽 끝을 밀자 가운데 부분이 구부러졌다.
② 물이 나가는 호스를 막았을 때 가장 약한 부분이 터졌다.
③ 풍선의 한쪽 부분을 눌렀더니 다른 부분들이 부풀어 올랐다.
④ 물놀이 튜브에 아이가 올라탔더니 튜브의 모양이 찌그러졌다.
⑤ 물총의 피스톤을 세게 눌러도 물총 입구를 막은 손가락을 움직이지 못했다.
23 [A]에 대한 이해로 적절한 것은?
① A1에 가해지는 힘은 A2에 가해지는 힘과 같다.
② 큰 피스톤에 F2의 힘을 가했을 때 F1은 F2보다 작다.
③ F1이 F2보다 작은 값을 가지는 이유는 유체의 압축 때문이다.
④ 두 실린더가 연결되지 않아도 F1이 A2에 전달될 수 있다.
⑤ F2는 작은 실린더와 큰 실린더의 용량에 따라 달라진다.
24 무거운 물체를 들기 위해 <보기>와 같은 장치를 설계했다고 할 때, 이 장치에 대한 의견으로 적절하지 않은 것은? [3점]
<보기>
ㄱ과 ㄴ쪽에 각각 지름이 다른 원통형 실린더를 두고, 두 실린더를 연결한 후 물을 넣고 밀폐시켰다. 지름이 작은 ㄱ쪽 실린더의 위에는 사람이 올라가거나 추를 놓을 수 있도록 하였다.
① ㄱ쪽 실린더의 지름을 줄이면 더 무거운 물체도 들 수 있겠어.
② 실린더에는 물보다 압축이 덜 되는 액체를 넣는 것이 좋겠어.
③ ㄱ쪽의 방향을 위로 하니까 중력만으로도 큰 힘을 낼 수 있겠어.
④ 두 실린더를 잇는 연결관을 더 좁게 만들면 더 큰 힘을 낼 수 있겠어.
⑤ 물체를 들 때 ㄱ쪽 피스톤은 ㄴ쪽 피스톤보다 더 많은 거리를 움직여야겠군.
25 문맥상 ㉠과 바꾸어 쓰기에 가장 적절한 것은?
① 작용(作用)한다 ② 작동(作動)한다
③ 원용(援用)한다 ④ 진동(振動)한다
⑤ 도착(到着)한다
도움자료
[2014 EBS 수능특강 A]
[22 ~ 25] ‘파스칼의 원리’
해제 : 이 글은 유체에서 힘이 전달되는 원리인 ‘파스칼의 원리’ 를 설명한 것이다. 파스칼의 법칙이라고 하지 않는 이유는 이것이 ‘베르누이의 원리’와 마찬가지로 유체에서의 에너지 보존 법 칙을 바탕으로 하고 있기 때문이다. 갇힌 유체에서 압력은 모든 부분과 용기의 벽에 약해지지 않고 전달된다. 압력은 단위 면적에 작용하는 힘이기 때문에 좁은 면적에 힘을 가하면 넓은 면적에 힘을 가하는 것보다 큰 힘을 얻을 수 있다. 큰 실린더와 작은 실린더로 구성된 장치는 작은 실린더에 작은 힘을 가해도 큰 실린더에서 큰 힘을 얻을 수 있는데, 대신 작은 실린더에서는 더 많은 거리를 이동해야 하므로 실제 한 일의 양은 같다. 유압식 브레이크나 지게차, 굴착기와 같이 작은 힘을 주어 큰 힘을 내는 장치들은 모두 이 원리를 이용하고 있다.
주제 : 파스칼의 원리와 그 이용
구성
•1문단: 파스칼의 원리 소개
•2문단: 파스칼의 원리 정의
•3문단: 파스칼의 원리로부터 힘의 크기를 구하는 방법
•4문단: 파스칼의 원리와 지렛대의 원리
22 다른 상황에 적용하기 답 ①
이 문제는 파스칼의 원리에 대한 정의를 이해하고 있으며, 그것을 실생활의 사례에 적용해 볼 수 있는지를 묻고 있다.
[정답이 정답인 이유]
정의 : 갇힌 유체에 가해지는 압력은 유체의 모든 부분과 용기의 벽 에 약해지지 않고 전달된다.
➔
착안점 : •갇힌 유체여야 함. •유체의 압력이 용기의 벽에 약해지지 않고 전달되어야 함.
‘파스칼의 원리’에 대한 정의에 착안해 볼 때, 철사는 갇힌 유체가 아니고 고체이므로 파스칼의 원리가 적용되는 대상이 아님을 알 수 있다.
[오답이 오답인 이유]
② 호스를 막았을 때 약한 부분이 터지는 이유는 호스의 모든 부 분에 같은 압력이 작용하기 때문이다.
③ 풍선의 다른 부분이 부풀어 오른 이유는 누른 부분의 압력이 다른 부분으로 전달되었기 때문이다.
④ 튜브의 모양이 찌그러진 이유는 아이가 올라탄 부분의 압력이 다른 부분으로 전해졌기 때문이다.
⑤ 물총의 피스톤을 누르면 유체인 물을 통해 압력은 약해지지 않고 용기의 벽에 전달된다. 그런데 물총 입구의 면적은 매우 좁기 때문에 피스톤을 누른 힘보다 훨씬 큰 힘을 가해야 입구를 막은 손가락을 움직일 수 있다.
교육과정연계
독서Ⅰ (2) 기능 (나) 독서의 수행 ① 사실적 독해
㉱ 독서 목적에 따라 글의 특정 부분을 선별하여 정보를 파악한다.
독서Ⅱ (1) 글의 유형 (나) 제재에 따른 글 읽기
① 글의 제재에 따라 서로 다른 배경지식을 동원하고 읽는 방법도 달리하여야 함을 이해한다.
23 세부 내용 추론하기 답 ②
이 문제는 글에 제시된 원리를 이해하고, 조건을 바꾸었을 때도 원리를 적용할 수 있는지에
2대해 묻고 있다.
[정답이 정답인 이유]
[오답이 오답인 이유]
① A1과 A2에 전달되는 압력은 같다. 압력은 힘을 단위 면적으로 나눈 것이므로, 면적이 다른 면에 전달되는 힘은 다르다.
③ F1이 F2보다 작은 값을 가지는 이유는 A1과 A2의 면적의 차이 때문이다.
④ 파스칼의 원리는 갇힌 유체 안에서 힘이 전달되는 것이므로 실린더가 연결되지 않으면 힘이 전달되지 못한다.
⑤ F2는 실린더의 용량이 아니라 힘을 받는 피스톤의 면적에 의해 달라진다.
교육과정연계
독서Ⅰ (2) 기능 (나) 독서의 수행 ① 사실적 독해
㉱ 독서 목적에 따라 글의 특정 부분을 선별하여 정보를 파악한다.
독서Ⅱ (1) 글의 유형 (나) 제재에 따른 글 읽기
① 글의 제재에 따라 서로 다른 배경지식을 동원하고 읽는 방법도 달리하여야 함을 이해한다.
24 구체적 상황에 적용하기 답 ④
이 문제는 글에 제시된 원리를 이해하고, 새로운 상황에 응용하는 방안에 대해 묻고 있다.
[정답이 정답인 이유]
지문 ➔ 단서
2문단 ➔ •압력이란 단위 면적에 가해지는 힘을 말한다.
•동일한 크기의 힘이라도 좁은 면적에 가해지면 압력이 증가한다는 의미이다.
2문단의 단서를 보면 힘이 변화되는 것은 피스톤의 면적 차이 때문이라는 것을 알 수 있다. 연결관은 힘을 전달하는 통로이지만 이것의 크기에 따라 힘의 크기가 달라진다는 내용은 없다.
[오답이 오답인 이유]
① 힘을 주는 쪽의 단면적을 줄이면 더 큰 힘을 얻을 수 있으므로 적절하다.
② 유체가 압축이 되면 힘이 모두 ㄴ쪽으로 전달되지 못하므로 압축이 덜 되는 액체를 사용하는 것은 적절하다.
③ <보기>에서 사람이 올라가거나 추를 올린다고 하였으므로 힘을 발생시키는 특별한 장치 없이 중력으로 힘을 낼 수 있다.
⑤ 4문단에서 작은 피스톤은 작은 힘으로 긴 거리를 이동한다고 하였으므로 ㄱ쪽은 힘이 적게 드는 대신 피스톤의 이동 거리를 길게 해야 된다.
교육과정연계
독서Ⅰ (2) 기능 (나) 독서의 수행 ⑤ 창조적 독해
㉮ 글의 화제나 주제, 관점 등에 대하여 자기의 생각을 논리적으로 구성한다.
독서Ⅱ (1) 글의 유형 (나) 제재에 따른 글 읽기
② 폭넓고 깊이 있는 사고를 할 수 있도록 다양한 분야의 글을 섭렵한다.
25 어휘의 문맥적 의미 파악 답 ①
이 문제는 문맥상으로 대체할 수 있는 어휘를 선택하는 문제이다.
[정답이 정답인 이유]
㉠ → 문맥적으로 ‘힘이나 영향 등을 미치다.’의 의미로 파악할 수 있음.
‘작용(作用)하다’는 ‘어떠한 현상을 일으키거나 영향을 미치다.’ 라는 사전적 의미를 가지고 있으므로 바꾸어 쓰기에 적절하다.
[오답이 오답인 이유]
② 작동(作動): 기계 따위가 작용을 받아 움직임.
③ 원용(援用): 자기의 주장이나 학설을 세우기 위하여 문헌이나 관례 따위를 끌어다 씀.
④ 진동(振動): 흔들려 움직임.
⑤ 도착(到着): 목적한 곳에 다다름.
교육과정연계
독서Ⅰ (2) 기능 (나) 독서의 수행 ① 사실적 독해
㉮ 단어, 문장, 문단 등 글을 구성하는 각 단위의 내용과 그들 사이의 관계를 파악한다.