빛 알갱이 하나가 판에서 공을 튀겨 내는 조건
물리1 · 서술형 평가지 · 권장 시간 25분 · 총 100점
안내 — 작은 빛 알갱이 하나가 판에 부딪히면 판 속에 박혀 있던 작은 공이 튀어나오기도 한다. 아래는 색이 다른 빛 알갱이를 판에 부딪혀 본 기록이다. 알갱이는 색에 따라 판을 미는 정도가 다르고, 여기서 '세기'는 한꺼번에 부딪힌 알갱이의 개수를 뜻한다. [기록ㄱ] 붉은 알갱이 1개 → 공 안 나옴. [기록ㄴ] 붉은 알갱이를 아주 많이(센 세기) → 공 안 나옴. [기록ㄷ] 보라 알갱이 1개 → 공 1개 나옴. [기록ㄹ] 보라 알갱이를 아주 많이 → 부딪힌 개수만큼 공이 나옴. [기록ㅁ] 보라보다 더 센 색 알갱이 1개 → 공 1개가 더 빠르게 나옴. 예제: 보라 알갱이 (비교용: 붉은 알갱이)
1
활동 — 순서대로 해 보기
30점
- ①기록 ㄱ~ㅁ 중 공이 튀어나온 것의 기호를 모두 [칸 A]에 적어 보세요.
- ②공이 튀어나오지 않은 기록의 기호를 모두 [칸 B]에 적어 보세요.
- ③[칸 A]와 [칸 B]를 견주어, 부딪힌 알갱이 개수가 많으면 공이 나오는지 판정해 [칸 C]에 예/아니오와 근거를 적어 보세요.
- ④공이 튀어나오려면 알갱이 하나가 무엇을 넘겨야 하는지 한 문장으로 [칸 D]에 적어 보세요.
- ⑤기록 ㄷ과 ㄹ을 보고 튀어나온 공의 개수가 무엇을 따라 늘어나는지 [칸 E]에 적어 보세요.
- ⑥기록 ㅁ에서 공이 더 빠르게 나온 까닭을 알갱이의 색과 연결지어 [칸 E] 아래에 한 문장으로 덧붙여 보세요.
2
해석 — 왜 그런지 내 생각 쓰기
40점
(1)붉은 알갱이는 아무리 많이(센 세기로) 부딪혀도 공이 나오지 않았어요. 이것은 이 판에서만 생긴 우연일까요, 어떤 판에서도 생기는 규칙일까요? 다른 상황을 하나 상상해 근거와 함께 쓰세요. (15점)
✎ 나는 (우연 / 규칙) 쪽에 걸겠다. 왜냐하면 붉은 알갱이는 개수를 늘려도 ___은(는) 그대로이기 때문에 …
(2)기록 ㄱ(붉은 1개)과 기록 ㄷ(보라 1개)은 부딪힌 알갱이 개수가 똑같은데 한쪽만 공이 나왔어요. 무엇 때문에 이 차이가 생겼을지 여러분의 말로 설명해 보세요. (15점)
✎ 개수는 같지만 알갱이 하나가 ___하는 정도가 달라서 …
(3)기록 ㅁ에서는 공이 그냥 나온 것이 아니라 더 빠르게 튀어나왔어요. 알갱이가 판을 미는 데 쓰고 남은 몫이 있다면 그것이 어디로 갔을지 생각해 쓰세요. (10점)
3
성찰 — 활동을 내 것으로 만들기
30점
(1) 순서 다시 짜기 — 이 활동을 처음 하는 친구에게 나라면 어떤 순서로 시킬지 쓰고, 왜 그 순서인지 한 문장으로 이유를 붙이세요. 지워도 되는 단계가 있다면 그것도 쓰세요. (15점)
(2) 이름 붙이기 — 오늘 알아낸 것을 세 문장으로 정리한 뒤, 각 문장이 가리키는 것에 교과서에서 배운(또는 배울) 과학 용어를 스스로 짝지어 붙여 보세요. (15점)
평가 기준
| 활동 수행 (30점) | 기록을 빠짐없이 분류하고, 개수·조건·색 관계를 지시대로 정확히 적음 | 상 · 중 · 하 |
| 해석 (40점) | 자기 판정에 근거를 붙였고, 개수가 같은 두 기록의 차이를 스스로 설명함 | 상 · 중 · 하 |
| 성찰 (30점) | 순서 재설계에 이유가 있고, 세 문장 각각에 알맞은 이름을 짝지음 | 상 · 중 · 하 |
연습 문제
빛 알갱이 하나가 판에서 공을 튀겨 내는 조건 · 각 20점 · 총 100점
안내 — 이제 배운 용어(광양자설·광자·일함수·한계 진동수)를 사용해 다음 문제를 풀어 보자.
1.광양자설에 따르면 진동수 f인 빛의 광자 1개의 에너지는 E=hf이다. 진동수가 5.0×10¹⁴ Hz인 빛의 광자 1개의 에너지를 구하시오. (h=6.63×10⁻³⁴ J·s)
2.일함수 W와 한계 진동수 f0 사이에는 W=hf0의 관계가 있다. 한계 진동수가 6.0×10¹⁴ Hz인 금속의 일함수를 구하시오. (h=6.63×10⁻³⁴ J·s)
3.광자 1개의 에너지가 금속의 일함수보다 작을 때, 빛의 세기를 아무리 세게 해도 광전자가 방출되지 않는 까닭을 광양자설로 설명하시오.
4.금속에 빛을 비출 때 방출되는 광전자의 수는 무엇에 비례하는지 쓰고, 그 까닭을 쓰시오.
5.진동수 1.0×10¹⁵ Hz인 빛을 일함수가 3.315×10⁻¹⁹ J인 금속에 비출 때 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지를 구하시오. (Ek=hf-W, h=6.63×10⁻³⁴ J·s)
정답
1. E=hf=6.63×10⁻³⁴ × 5.0×10¹⁴ = 3.32×10⁻¹⁹ J
2. W=hf0=6.63×10⁻³⁴ × 6.0×10¹⁴ = 3.98×10⁻¹⁹ J
3. 빛의 세기를 세게 하면 충돌하는 광자의 개수만 늘어날 뿐 광자 1개의 에너지(hf)는 변하지 않는다. 광자 1개가 전자 1개와 충돌하는데 그 에너지가 일함수보다 작으면 전자를 떼어 낼 수 없으므로, 광자가 아무리 많아도 광전자는 방출되지 않는다.
4. 광전자의 수는 충돌하는 광자의 개수, 즉 빛의 세기에 비례한다. 광자 1개가 충돌할 때 전자 1개가 방출되기 때문이다.
5. hf=6.63×10⁻³⁴ × 1.0×10¹⁵ = 6.63×10⁻¹⁹ J, Ek=hf-W=6.63×10⁻¹⁹ - 3.315×10⁻¹⁹ = 3.32×10⁻¹⁹ J