통합과학 총정리 문제

(통합 3-35-2)

제한 시간 : 100분

※ 과학영재학교 입시 준비생을 위한 과학 분야 전 영역 총 정리용 문제

중의 극히 일부 자료로 과학영재교육의 방향성을 제시하며, 효율적이고

실질적인 통합과학 영재성 계발(啓發) 과정을 위한 본원의 교수․학습

지도 과정을 위한 일부 자료임.

※ 교과과정을 바탕으로 창의성 문제를 주로 다루려고 하였으며, 상당 수

문제는 지문 및 문제 풀이 과정에서 자연스럽게 내용을 터득하고 적용

할 수 있도록 구성하였음.

※ 일부 문제는 과학영재학교 입시 기출 문제를 참고, 발취, 편집 및 창작한

문제이므로 저작권 문제가 있거나 관계 기관의 요청이 있을 경우

연관 문제는 즉시 삭제할 예정임.

※ 저작권 문제로 인하여 상당수(대부분) 문제는 중략하였으므로 양해바람.

새롭고 밝은 배움의 터

새 밝 학 원

www.sbac.kr

통합과학 총정리 문제(3-35-2)

이름 :

※ 통합과학 전 영역 총정리용 문제이며, 감점은 없으며, 정수가 아닌 답은 편의상 분수를 사용하여 나타     낼 것.

1. 다음의 주어진 자료를 참조하여 각 물음에 답하시오.

크로마토그래피(chromatography)는 색소 물질을 흡착제에 의하여 분리하는 방법으로 색층 분석이라고     도 부른다. 크로마토그래피는 20세기 초에 구소련의 식물학자인 미하일 츠베트에 의하여 발명되었다. 그     는 식물의 잎에 함유되어 있는 엽록소를 분리하기 위하여 잘게 빻은 탄산칼슘을 채운 유리관에 식물 즙     을 통과시켜 분리하였다. 크로마토그래피에는 종이 크로마토그래피, 얇은 막 크로마토그래피, 관 크로마     토그래피 등이 있다. 먼저, 종이 크로마토그래피는 거름종이를 이용하며, 얇은 막 크로마토그래피는 알     루미나(Alumina)나 고체의 고운 가루를 유리판에 얇게 입혀서 사용하였다. 관 크로마토그래피는 유리관     속에 알루미나를 채우고, 그 속을 분리하고자 하는 성분과 용매를 통과시켜서 혼합물을 분리하였다. 한     편 크로마토그래피의 결과를 정량적으로 분석하기 위해서는 용매가 움직인 거리와 성분 물질이 움직인     거리를 측정한 뒤 그 비를 나타낸다. 이를 Rf값이라고 하며, 이것은 물질에 따라서 고유한 값을 나타낸     다.

Rf = [eqn: {`성분``물질의``이동``거리} over {용매의``이동``거리}]

크로마토그래피의 응용은 지난 40년 동안 폭발적으로 발전하였는데, 그 이유는 여러 가지 새로운 크로     마토그래피법이 개발되었을 뿐 아니라 복잡한 혼합물을 분리하는 데 이 방법이 필요하였기 때문이다. 이     크로마토그래피를 이용한 연구로 많은 과학자들이 노벨상을 받았다. 현재 크로마토그래피는 지방, 금속     이온, 혈액, 소화 효소, 비타민, 당분 등을 분리하거나 확인하는 데 이용된다.

크로마토그래피는 이동상의 종류에 따라 크게 기체 크로마토그래피와 액체 크로마토그래피로 나눌 수      있다. 또 액체 크로마토그래피는 분리 원리에 따라 흡착 액체 크로마토그래피, 분배 크로마토그래피 및     이온교환 액체 크로마토그래피로 나뉜다.

흡착 액체 크로마토그래피는 분리하려고 하는 혼합물 용액이 흡착제, 즉 고정상을 지날 때, 각 성분마다

흡착제의 표면과 이동하는 용매 사이에서 보내는 상대적인 시간이 다르게 되어 분리가 일어나는 것이다.

흡착 액체 크로마토그래피에는 얇은 막 크로마토그래피(TLC)와 관 크로마토그래피가 있다.

- 중략 -

기체 크로마토그래피에 사용되는 컬럼(column)은 두 가지로 크게 나눌 수 있는데, 하나는 충진 컬럼이     고, 다른 하나는 열린 관(open-tubular) 혹은 모세관 컬럼이다. 충진 컬럼은 많은 시료를 취급할 수 있     고 일반적으로 사용하기 편리하다. 반면에 모세관 컬럼은 분리능이 대단히 좋은 장점이 있다.
복잡한 혼합물의 분석에는 기체 크로마토그래피와 질량분석기를 결합하여 만든 GC/MS가 사용되며, 천     연물과 생체 성분은 휘발성이 작으므로 액체 크로마토그래피를 사용하여 성분 물질을 분리한다.

(1) 흡착 크로마토그래피의 원리를 간략히 설명하시오. (2점)

답 : (                                                                                       )

(2) 분배 크로마토그래피의 원리를 간략히 설명하시오. (2점)

답 : (                                                                                       )

- 중략 -

(6) [그림3]만으로 판단할 때, 다음 설명 중 옳은 것을 모두 고르시오. (1점)

① 물질 A는 혼합물이다.

② 물질 B는 순물질이다.

③ 물질 C는 물질 B보다 거름종이와의 흡착력이 상대적으로 크다.

④ 물질 E는 물질 D보다 거름종이와의 흡착력이 상대적으로 크다.

답 : (                        )

- 중략 -

(9) 이 실험 결과로 추정할 때, 물과 각 성분 A, B, C 사이의 상호작용(인력)의 세기를 부등호를 사용하여      비교하시오. (1점)

답 : (                           )

2. 바닷가의 해수면이 하루에 약 2회씩 주기적으로 높아졌다, 낮아졌다하는 현상을 조석이라고 하며, 이 때    흐르는 해수의 수평 방향의 흐름을 조류라고 한다. 조석 현상을 일으키는 힘을 기조력이라고 하며, 지구    외부에 있는 달이나 태양과 같은 천체의 인력에 의해 생긴다. 기조력의 크기는 천체의 질량에 비례하고     지구와 천체 간의 거리의 세제곱에 반비례한다. 달은 태양에 비해 질량은 작으나 거리가 가까우므로 달의    기조력은 태양보다 2배 크다. 따라서 조석은 달 쪽과 그 반대쪽이 항상 만조가 된다. 해수에 미치는 기조    력은 지구의 모든 점에 똑같이 작용하는 원심력, 즉 달과 지구의 공통 질량 중심 주위를 회전 운동할 때    생기는 힘과 모든 점에 다르게 작용하는 달의 인력 사이의 차이이다. 다음 그림은 달의 위치에 따른 만조    와 간조 지역을 나타낸 것이다.

달

간조

만조

만조

지구

[그림1]

어느 해안에서 하루 중 해수면이 가장 높았을 때를 만조, 가장 낮아졌을 때를 간조라고하며, 만조와 간     조 때의 해수면의 높이 차를 조차라 한다. 우리나라에서 서해안이 동해안보다 조차가 커서 인천에서는      약 10m에 달한다.

조석에 의하여 일어나는 해류의 흐름을 조류라고 하는데, 보통 하루에 2회의 만조와 간조에 의해 방향이     바뀐다. 조류는 넓은 바다일 경우는 뚜렷하게 나타나지 않지만 우리나라의 서남해안과 같이 섬들이 많아     서 좁은 해협이나 수로가 있을 경우에는 속도가 매우 빠르다. 진도 부근의 울돌목에서는 시속 17km나     된다.

어느 해안의 조차는 항상 일정한 것이 아니라 음력 한 달을 주기로 커졌다, 작아졌다 한다. 음력 보름      이나, 삭일 때에는 달, 지구, 태양이 같은 선 위에 있게 되므로 다음 [그림2]와 같이 달과 태양의 힘        이 합쳐져서 가장 큰 조차가 되는데, 이것을 ‘사리’라 한다. [그림3]과 같이 태양과 달이 직각 방향에       있을 때는 작용하는 힘이 서로 상쇄되어 조차가 가장 작아지는데, 이것을 ‘조금’이라고 한다. 사리와        조금은 1삭망월에 2번씩 일어난다.

- 중략 -

다음 [그림6]은 태양을 기준으로 지구와 이 외행성이 일직선상에 있을 때를 나타낸 것으로 이런 상태를     ‘충’이라 한다. 다시 지구와 이 외행성이 ‘충’이 되었을 때까지 걸리는 시간을 회합주기(S)라고 한다.

E

P

[그림6]

- 중략 -

(7) 남중 시각차가 [그림2]와 같이 변화하는 주요 원인은 지구 주위를 달이 타원 궤도를 그리며 공전하기       때문이다. 또 Kepler의 제2법칙에 의하면, 달의 운동은 달이 지구에 가장 가까이 위치할 때 가장 빠르      고, 달이 지구에서 가장 멀리 위치할 때 가장 느리다. 이 사실로부터 달이 지구에 가장 접근한 날은 언      제인가? (1점)

답 : (12월        일)

(8) (6)번에서 달이 지구에 가장 접근한 날은 24절기 중의 하나이다. 이 날 이 지역에서 태양의 남중 고도를      구하시오. (1점)

답 : (             )(°)

(9) (6)번에서, 이 날 이 지역에서 북극성의 고도를 구하시오. (1점)

답 : (             )(°)

3. 다음의 주어진 자료를 참조하여 각 물음에 답하시오.

- 중략 -

(1) 달걀 겉껍질의 주성분은 CaCO3이다. (실험 과정1)에서 발생된 기체는 무엇인지 화학식으로 나타내시오.                                                                                               (1점)

답 : (                   )

- 중략 -

(5) 석회암 동굴 안에는 고드름 모양의 종유석이 있다. (4)번을 참고하여 종유석의 생성 과정을 화학 반응식     을 사용하여 나타내시오. (2점)

답 : (                                                                                       )

4. 다음의 주어진 자료를 잘 읽고, 주어진 자료를 참조하여 각 물음에 답하시오.

생물체 내에서 일어나는 물질의 분해나 합성과 같은 모든 물질적 변화를 물질대사, 또는 신진대사라고      한다.

모든 생물은 주위 환경으로부터 자신에게 필요한 물질을 흡수한다. 흡수한 물질들을 이용해 자신에게 필     요한 물질을 합성하기도 하고, 또는 물질을 분해하면서 그로부터 생명 활동에 필요한 에너지를 얻기도      한다. 그러한 과정에서 생긴 부산물이나 노폐물을 배출한다. 이렇게 생물체가 자신의 생명 유지를 위해     진행하는 모든 과정을 물질대사라 부른다. 물질대사는 크게 동화작용과 이화작용으로 나눌 수 있는데       동화작용은 주위로부터 흡수한 저분자 유기물이나 무기물을 이용해 고분자 화합물을 합성하는 과정을      말한다. 동화작용을 위해서는 빛 또는 화학 에너지가 필요하다. 이화작용은 반대로 고분자 화합물을 저     분자 유기물이나 무기물로 분해하는 과정을 말한다. 이화작용을 거치면서 생물체는 활동에 필요한 에너     지를 얻게 된다.

- 중략 -

막대가 지탱할 수 있는 최대 힘을 Fmax라고 하면, [eqn: {DELTA `L} over {L} ```=`` {k`F _{max}} over {A} ``=`C]로 나타낼 수 있으며, 단면적 A     는 L2에 비례하며, 키가 L인 정상적인 사람의 몸무게는 L3에 비례한다고 볼 수 있다.

크기가 비교적 작은 곤충의 골격은 외골격계로서 큐티클이라는 표피로 덮여있다. 따라서 곤충의 성장은     변태와 탈피로 이루어진다. 곤충은 혈관이 없으며 체액으로 이루어져있다. 체액은 영양분을 이동시켜 주     고 노폐물을 배출시키며 물과 염의 균형을 유지 시킨다.

- 중략 -

예로부터 고래가 우리 민족의 생활과 깊은 관련을 맺고 있었다는 것은 울주 반구대(盤龜臺)의 신석기 시     대 바위 조각에서 볼 수 있다. 절벽 아랫부분의 편편한 암면에는 동물·물고기를 비롯하여 사냥·고기잡이     등 많은 장면들이 가득 조각되어 있는데, 그 중 고래와 관련된 장면들이 다수를 차지하고 있다. 즉, 배     를 탄 사람들이 뒤집어진 고래를 끌고 있는 광경이라든가, 힘차게 요동치는 고래의 모습 등이 사실적이     면서도 동적으로 묘사되어 있다.

원시시대의 미술이 식량을 얻기 위한 중요한 방법이었다는 점을 생각해 볼 때, 반구대가 고래잡이로 유     명한 장생포에서 멀지 않은 태화강변에 있다는 사실은 이미 선사시대부터 고래가 우리 민족의 식량원으     로 이용되고 있음을 보여주는 좋은 예라고 하겠다.

우리 생활에서 고래는 몸체가 크고 강한 동물의 대표로서 인식되었다. 강한 자들의 싸움에 끼여 약자가     피해를 볼 때 ‘고래 싸움에 새우등 터진다.’고 하고, 기대하였던 바와는 달리 성과가 별로 없을 때 ‘고래     그물에 새우가 걸렸다.’는 속담을 쓴다. 설화에서도 고래는 큰 동물, 또는 은혜를 베푸는 동물로 나타나     기도 한다. 풍파에 조난을 당한 어부의 배를 고래가 밀어주어 구출하였다 하여, 그 어부의 자손들은 대     를 이어 고래 고기를 먹지 않는다는 이야기도 호남 해안 지방에서 전승된다.

- 중략 -

(6) 심장의 박동률 Z는 일정 크기 이상 커질 수 없다는 사실을 고려하여 손가락만한 사람이 존재할 수 없음     을 간략히 설명하시오. (2점)

답 : (                                                                               )

(8) (7)번에서 유도된 식과 사람의 키와 몸무게 관계를 고려해볼 때, 수 십 미터의 거인이 존재할 수 없         음을 간략히 설명하시오. (2점)

답 : (                                                                                       )

5. 다음의 주어진 자료를 잘 읽고, 주어진 자료를 참조하여, 각 물음에 답하시오.

기화는 물질의 상이 액체에서 기체로 바뀌는 것이다. 기화가 일어나는 동안 열을 가해도 물질의 온도는     변하지 않는다. 이때의 온도가 끓는점(비등점)이다. 끓는점은 물질에 따라 다르고, 외부 압력에 따라서도    달라진다.

물을 가열하면 온도가 올라가다가 어떤 온도(끓는점)에 이르면 더 이상 증가하지 않고, 내부에서 기포가    부글거리며 표면까지 올라와 수증기로 바뀌는 현상이 일어난다. 이러한 현상을 비등이라고 하고, 이때의    온도를 끓는점(비등점, boilingpoint)이라고 한다. 비등은 액체 내부에서 기화 현상이 일어나는 것이다.     물의 비등은 물의 온도가 전체적으로 비등점(약 100℃)에 이르렀을 때 일어난다. 비등은 그릇 밑바닥에     생긴 기포의 움직임으로 확인할 수 있다. 비등점에 도달하면 기포는 물의 표면까지 올라와 공기 중으로     날아간다. 하지만 아직 비등점에 도달하지 않았을 때에는 위쪽의 물의 온도가 아래쪽 보다 낮아서 위로     올라오던 기포는 중간에 다시 물로 바뀌는 현상이 나타난다.

끓는점은 액체에 따라 다르다. 액체를 구성하고 있는 입자들 사이에 강한 힘이 작용할수록 끓는점은 높아    진다. 한 종류의 물질로 된 순수한 액체는 고유한 끓는점을 갖는다. 예를 들면 순수한 물의 끓는점은 1기    압일 때 보통 100℃ 라고 한다. 다음 표는 여러 가지 물질의 끓는점과 기화열을 나타낸 것이다.

- 중략 -

인간 체중의 70%가 물이라는 사실은 신비스럽고 놀라운 일이 아닐 수 없다. 비열이 큰 물이 주성분인      체액 및 혈액으로 인체가 채워져 있어서 한 여름의 뜨거운 햇볕에도 체온을 유지할 수 있으며, 추운 겨     울의 한파에도 몸이 얼지 않고 버티어 낼 수 있다. 만약에 비열이 작은 액체가 주성분이 되는 혈액이나     체액으로 우리 몸이 채워져 있었다면 사막이나 극지방에서는 도저히 생존을 할 수 없었을 것이며, 지구     의 기후 변화에 적응하지 못하고 전멸했을 것이 것이다.

- 중략 -

※ [(9)~(12] 다음 [그림1]은 비가 생성되는 대기의 단면을 나타낸 것이고, [그림2]는 온도에 따른 물과 빙     정의 증기압을 나타낸 것이다.

빙정과

과냉각 물방울

압력

빙정

물방울

-40℃

0℃

온도

P1

P2

P0

[그림1]

온도

증기압

0℃

-15℃

P0

P1

①

②

[그림2]

- 중략 -

(12) 이와 같은 원리로 비가 생성될 때, 이를 빙정설에 의한 찬비라고 한다. 찬비의 생성과정을 주어진 자       료와 [(9번)~(11번)]을 참조하여 종합적으로 간략히 설명하시오.

눈은 고체이며, 각 과정에서의 상태 변화(기화, 승화, 액화, 응고, 융해 등)를 구분하여 명시할 것.

(2점)

답 : (                                                                                      )

6. 21세기를 주도할 새로운 과학 분야의 하나로 요즘 사람들의 많은 관심을 끌고 있는 나노테크놀로지        (Nanotechnology ; NT)는 물질의 크기가 나노미터(nm=10-9m) 정도인 경우 나타나는 새로운 화학적,      물리적 현상을 이용하려는 것이다.

물질의 근원은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자라는 개념을 완성시킨 데모크리토스의 일화 중 “마법의 칼”이     라는 것이 있다. 이 칼로는 쪼갤 수 있는 물질이라면 어떤 물질이든지 완벽하게 둘로 자를 수 있다고 한     다. 이 칼을 가지고 1cm3 크기의 백금 덩어리를 각 축 방향으로 한 번씩 총 3번 자르면 처음 크기의      [eqn: {1} over {8}]이 된다. 이와 같이 각 축 방향으로 계속해서 자른다면, 더 이상 자를 수 없는 상태가 되는지 계산할     수 있다.

고체 상태에서 입자 사이의 결합이 끊어져 액체가 될 때, 에너지가 필요하다. 고체 입자 사이의 결합이     강할수록 녹는점은 높다고 한다. 나노 입자는 이미 고체 사이의 결합이 대부분 끊어진 상태이므로 원래     물질보다 녹는점이 낮아진다.

- 중략 -

입자의 구성 성분을 측정할 수 있다. 또한, 나노입자는 크기가 작으므로 나오는 신호가 작다. 따라서 작     은 신호에 섞여 있는 잡음을 제거할 수 있는 고감도의 감지기가 필요하다.

- 중략 -

(3) 나노 입자들의 새로운 성질 중 대표적인 예로 녹는점의 변화가 있다. 물질의 크기가 작아져 나노 입자     가 되면 그 물질의 녹는점은 원래 물질에 비해 대체로 어떻게 변하게 될지 주어진 자료를 참조하여 간     략히 설명하시오.  (1점)

답 : (                                                                                        )

(4) 주어진 자료를 참조하여 항암면역 나노 입자의 특성을 간략히 설명하시오.  (1점)

답 : (                                                                                        )

(5) 금, 백금과 같은 촉매 나노 입자는 촉매 효율이 높다고 한다. 그 이유를 주어진 자료를 참조하여 간략히     설명하시오.  (1점)

답 : (                                                                                        )

7. 다음 [그림1]과 같이 길이가 L이고, 질량이 각각 m=1kg인 두 개의 진자가 질량을 무시할 수 있는 실에     연결되어 천장에 고정되어 있다. 진자 A를 높이 h=1m만큼 잡아당긴 후 놓으니, 정지해있던 진자 B와

- 중략 -

(6) 이 과정에서 이 사람이 한 일의 양을 구하시오. (2점)

답 : (                      )(J)

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