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2015 개정 교육과정 중고등학교 과학과 서·논술형 문항집

문항 정보

학년:고1 단원: 물질과 규칙성 중단원: 물질의 규칙성과 결합 키워드: 우주, 빅뱅, 원소, 스펙트럼
[10통과01-01] 지구와 생명체를 비롯한 우주의 구성 원소들이 우주 초기부터의 진화 과정을 거쳐서 형성됨을 물질에서
성취기준
방출되는 빛을 활용하여 추론할 수 있다.

예시 문항

원소의 생성 과정을 빅뱅 우주론에 따라 설명한 제시문을 읽고 물음에 답하시오.
빅뱅 직후 우주가 급격히 팽창하는 과정에서 온도가 낮아져, 쿼크와 전자 같은 작은 입자들이
만들어지기 시작했다. 이후 우주가 팽창하면서 온도가 더 낮아지면, 쿼크들이 결합하여 거의 같
은 개수의 양성자와 중성자를 만들게 된다.
이후 우주의 온도가 더 낮아져 중성자가 양성자로 변하는 과정이 많아져 양성자와 중성자의 수
가 약 7:1이 되었을 때, 양성자 2개와 중성자 2개로 구성된 헬륨 원자핵이 만들어졌다.
이후 전자들이 원자핵과 결합하여 수소원자와 헬륨원자를 구성하며 강한 전자기적 작용이 줄어
들어 빛이 자유롭게 이동할 수 있게 되었으며, 수소원자와 헬륨원자는 밀도가 높은 곳을 중심으
로 모여 원시별을 구성했다. 이후 원시별에서의 핵융합, 초신성 폭발 과정을 거쳐 다양한 원소가
형성되어 우주 공간으로 방출되었으며, 방출된 물질들이 태양과 같은 항성이나 지구와 같은 행성
을 구성하였다.

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(1) 양성자와 중성자는 전하량인   인 다운쿼크와   인 업쿼크 세 개가 모여 구성되어 있다고 알
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려져 있다. 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크는 각각 어떻게 구성되어 있는지 양성자와 중성자의
전기적 특성을 활용하여 서술하시오.

(2) 과학자들은 스펙트럼을 분석하여 우주 전역에 수소와 헬륨이 존재하며 그 질량비가 3:1이라는 것
을 밝혔다. 스펙트럼을 분석하여 그와 같은 결과를 얻을 수 있는 원리를 다음 <조건>에 따라 서술
하시오.

<조 건>
∘ 스펙트럼으로 원소를 구분할 수 있는 원리가 포함되어야 할 것
∘ 원소의 질량비를 설명할 수 있는 원리가 포함되어야 할 것
∘ “원소, 스펙트럼, 흡수선, 위치, 세기, 밀도, 선폭, 질량비”를 사용하여 설명할 것(중복 사용 가능)

(3) 현재 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비가 3:1이라는 것은 빅뱅 우주론을 뒷받침하는 강력한
증거가 되는 이유를 다음 <조건>에 따라 서술하시오.

<조 건>
∘ 양성자와 중성자의 질량비, 수소원자핵과 헬륨원자핵의 구성과 질량비를 서술할 것
∘ 헬륨이 생성될 당시 개수비가 7:1이라는 점을 활용하여 수소원자핵과 헬륨원자핵의 개수비를 구하고, 이를
활용하여 전체 수소와 헬륨의 질량비를 서술할 것
∘ 초기 우주와 현재를 비교하여 결론은 내릴 것

출제 의도

(+)전하인 양성자와 중성인 중성자를 구성하는 쿼크를 전기적 성질만을 활용하여 답할 수 있도록 하
고 싶었으며, 수소와 헬륨의 질량비를 확인하는 전체적인 과정에 대한 이해를 확인하고자 했습니다.

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