네 개가 흩어지는 방법의 가짓수 세어 보기
물리1 · 서술형 평가지 · 권장 시간 25분 · 총 100점
안내 — 이 평가지에는 개념 용어가 일부러 빠져 있습니다. 지시를 따라 손으로 직접 해 본 뒤, 그 결과를 여러분의 말로 해석하고 성찰하여 서술하세요. 정답 문장이 정해져 있지 않으니, 이유를 붙인 자기 생각이면 됩니다. 예제: 구슬 a, b, c, d 네 개가 든 상자 (비교용: 구슬 a, b 두 개가 든 상자)
1
활동 — 순서대로 해 보기
30점
- ①상자를 가운데 벽으로 왼쪽·오른쪽 두 방으로 나누고, 구슬 a, b, c, d를 각각 두 방 중 한 곳에 놓아 보세요.
- ②[칸 A]에 네 구슬을 왼쪽·오른쪽에 나누어 놓는 방법을 하나도 빠뜨리지 말고 모두 적어 보세요.
- ③[칸 A]에 적은 방법이 모두 몇 개인지 세어 [칸 A] 아래에 적어 보세요.
- ④왼쪽 방의 구슬 개수(4,3,2,1,0)별로 방법이 몇 개씩인지 [칸 B]에 나누어 적어 보세요.
- ⑤[칸 B]에서 방법이 가장 많은 줄과 가장 적은 줄에 각각 ◯표 하고, 그 줄의 이름을 [칸 C]에 적어 보세요.
- ⑥이번에는 구슬을 a, b 두 개만 놓고 ②~④를 다시 해서, 왼쪽 개수별 방법 수를 [칸 D]에 적어 보세요.
- ⑦[칸 B]와 [칸 D]에서 '한쪽에 몰린 줄'의 방법 수가 전체 중 몇 분의 몇인지 [칸 E]에 각각 적어 보세요.
칸 A — 네 구슬을 두 방에 나누어 놓는 모든 방법
2
해석 — 왜 그런지 내 생각 쓰기
40점
(1)[칸 B]에서 방법 수가 가장 많은 줄은 어떤 모습인가요? 눈을 감고 상자를 흔든 뒤 다시 보았을 때 어떤 줄이 나올 것 같은지, 그 이유와 함께 쓰세요. (15점)
✎ 방법이 가장 많은 줄은 ___이고, 흔든 뒤에는 ___이 나올 것 같다. 왜냐하면 …
(2)'가장 많은 줄이 가운데에 온다'는 것은 구슬이 네 개라서 생긴 우연일까요, 개수를 바꿔도 생기는 규칙일까요? 구슬 개수를 직접 하나 골라 [칸 A]처럼 세어 본 결과와 함께 이유를 쓰세요. (15점)
✎ 나는 (우연 / 규칙) 쪽에 걸겠다. 내가 고른 구슬 ___개로 세어 보니 …
(3)[칸 E]에서 구슬 두 개일 때와 네 개일 때 '한쪽에 몰린 줄의 몫'은 어떻게 달랐나요? 구슬이 아주 많아지면 그 몫이 어떻게 될지, 무엇 때문에 그렇게 되는지 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 한 일을 세 문장으로 정리한 뒤, 각 문장이 가리키는 것에 교과서에서 배운(또는 배울) 과학 용어를 짝지어 붙여 보세요. (15점)
평가 기준
| 활동 수행 (30점) | 모든 방법을 빠짐없이 찾아 적었고, 개수별로 나누어 세는 지시를 정확히 수행함 | 상 · 중 · 하 |
| 해석 (40점) | 자기 가설에 이유를 붙였고, 개수를 직접 바꿔 세어 확인한 근거가 있음 | 상 · 중 · 하 |
| 성찰 (30점) | 순서 재설계에 이유가 있고, 세 문장 각각에 알맞은 이름을 짝지음 | 상 · 중 · 하 |
연습 문제
네 개가 흩어지는 방법의 가짓수 세어 보기 · 총 100점
안내 — 1쪽에서 스스로 세운 개념을 이번에는 반복해서 적용해 봅니다. 풀이 과정을 빈 곳에 쓰고, 다 푼 뒤 맨 아래 정답으로 스스로 채점하세요.
1.가운데 칸막이로 나뉜 밀폐된 상자의 왼쪽에 기체 분자 4개(a, b, c, d)가 있고 오른쪽은 진공이다. 칸막이를 제거한 뒤 분자 하나가 왼쪽에 있을 확률과, 4개 분자의 배치에 대한 전체 경우의 수를 구하시오.
2.위 상황에서 왼쪽에 2개·오른쪽에 2개가 있는 경우의 수와 그 확률을 구하시오.
3.위 상황에서 4개 분자가 모두 왼쪽에 다시 모일 경우의 수와 확률을 구하고, 이 결과가 열역학 제2법칙과 어떻게 연결되는지 설명하시오.
4.분자가 6개일 때 전체 경우의 수와, 6개가 모두 왼쪽에 모일 확률을 구하시오.
5.분자 수가 4개에서 6개, 그리고 아주 많은 수로 늘어날 때 '모두 한쪽에 모이는' 확률은 어떻게 변하는가? 이유와 함께 쓰시오.
6.엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한 예를 하나 들고, 그 반대 과정이 저절로 일어나지 않는 이유를 확률로 설명하시오.
정답
1. 분자 하나가 왼쪽에 있을 확률 = 1/2, 전체 경우의 수 = 2⁴ = 16가지
2. 경우의 수 6가지, 확률 6/16 = 3/8
3. 1가지, 확률 1/16. 한쪽에 모두 몰린 상태는 확률이 가장 작고 고르게 퍼진 상태는 확률이 가장 커서, 자연 현상은 확률이 큰 쪽(무질서도·엔트로피가 증가하는 쪽)으로 진행하며 스스로 되돌아가지 않는 비가역 과정이 된다.
4. 전체 2⁶ = 64가지, 모두 왼쪽일 확률 = 1/64
5. 1/16 → 1/64 → 점점 0에 가까워진다. 분자 수 N에 대해 확률이 1/2^N 이므로 N이 커질수록 급격히 작아져, 실제로는 저절로 한쪽에 모이는 일이 일어나지 않는다.
6. 예: 잉크가 물에 퍼짐(또는 기체의 자유 팽창). 퍼진 상태에 해당하는 경우의 수가 압도적으로 많아 확률이 크므로 그 방향으로 진행하고, 되돌아가는 상태는 경우의 수가 극히 적어 확률이 사실상 0이라 저절로 일어나지 않는다.