논술 8월 2주 / 2008년도 건국대학교 수시 2학기 논술고사 문제지 (자연계)

[김동석]

2008학년도 수시2학기 모집 논술고사 문제지(자연계)

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지 원 모 집 단 위	수 험 번 호	성 명

※ 유의사항

1. 제목은 쓰지 말고 본문부터 시작하도록 한다.

2. 답안 작성시 필요한 경우에 수식 및 그림을 사용할 수 있으며 답안지 범위를 초과한 답안은 감점이 될 수 있다.

3. 필기구는 반드시 흑색 펜만을 사용하여야 한다. (연필을 사용하여 작성한 답안, 컴퓨터용 사인펜으로 작성한 답안, 흑색 이외의 색 필기구로 작성한 답안은 모두 0점으로 처리한다.)

4. 수정시에 흑색 이외의 색 필기구나 수정액 등을 사용한 경우에도 0점으로 처리한다.

5.문제와 관계없는 불필요한 내용이나 자신의 성명 또는 신분이 드러나는 내용이 있는 답안, 낙서 또는 표식이 있는 답안은 모두 0점으로 처리한다.

※ 다음 각각의 제시문을 읽고 질문에 답하시오.

[제시문 1]

(가) 영국 임페리얼대학의 존 펜드리 교수는 최근 세계적인 과학저널 ‘사이언스’에 발표한 논문에서 “이론적으로는 해리 포터가 사용하는 투명망토를 제작할 수 있지만 엔지니어링 기술이 아직 미치지 못하는 상황”이라고 밝혀 화제가 됐었다. 펜드리 교수가 밝힌 투명망토의 과학적 원리는 이렇다. 사람의 눈이나 레이더는 특정 물체가 가시광선이나 마이크로파 등을 대부분 반사시키는 성질을 이용해 그 물체를 인식한다. 따라서 어떤 물체가 마이크로파나 가시광선을 반사시키는 것을 차단하거나 왜곡시키면 그 물체가 보이지 않게 할 수 있다는 것이다. 펜드리 교수는 마이크로파나 가시광선 등을 어떤 방향에서도 굴절시킬 수 있는 ‘메타물질(metamaterial)’을 찾아내 이를 사용하면 투명망토를 제작할 수 있을 것이라고 설명했다. 메타물질이란 물질이 자연상태에서는 가지지 못하는 전자기학적인 특성을 인위적인 방법을 동원해 가지도록 만든 것을 말한다. 1960년대 말 러시아 물리학자가 가상적인 물질에 대한 논문을 쓴 이래 영국 과학자들이 2000년 음(-)의 굴절률을 가지는 물질을 만들면서 주목을 받기 시작했다. 펜드리 교수는 음의 굴절률을 가지는 메타물질은 빛이 보통 물질에서 꺾이는 것과 반대방향으로 꺾이도록 하기 때문에 메타물질 안에 구멍이 있다 해도 빛이 이 안에 도달할 수 없게 만들 수 있다는 것을 알아냈다.

(나) 빛이 나아가다가 새로운 매질을 만나면 빛의 일부는 반사된다. 빛이 반사되는 면에 수직한 선을 법선이라 부른다. 면에 도달하는 빛을 입사광, 반사되어 면을 떠나는 빛을 반사광이라 부르고, 입사광과 반사광이 법선과 이루는 각을 각각 입사각, 반사각이라 부른다. 반사가 일어날 때에는 아래 그림에서 입사각 와 반사각 이 같다. 빛이 투명한 매질에 입사하면, 반사도 일어나지만 일부는 굴절해서 매질 안으로 들어간다. 굴절되어 들어가는 빛을 굴절광이라 하고, 굴절광이 법선과 이루는 각을 굴절각(아래 그림에서 )이라 한다. 빛이 굴절되는 정도는 매질의 굴절률이라는 물리량으로 표현할 수 있는데 진공에서의 굴절률은 1로 주어진다. 네덜란드의 과학자 스넬이 발견한 법칙을 이용하면 빛이 얼마나 꺾이는지 알 수 있다. 스넬의 법칙에 따르면 입사각과 굴절각의 사인값의 비는 굴절률의 비의 역수와 같다. 즉, 아래 그림에서 이다. 여기서 은 매질 I의 굴절률이고 는 매질 II의 굴절률이다.

(다) 자연에 존재하는 물질은 모든 빛에 대해서 양(+)의 굴절률을 가지고 있다. 그런데 약 40년 전에 러시아의 물리학자인 빅토르 베셀라고는 음(-)의 굴절률을 가진 물질이 존재할 수 있으며, 이런 물질에서는 빛이 보통 꺾이는 방향과 반대 방향으로 꺾일 것으로 예측했다. 예를 들면, 음의 굴절률을 가진 물질로 만든 오목렌즈는 빛을 모아주고 볼록렌즈는 빛을 퍼지게 하여 양의 굴절률을 가진 보통의 렌즈와는 반대의 역할을 하게 될 것이다. 물이 담긴 유리 컵 안에 연필을 꽂으면 연필은 약간 꺾인 것처럼 보인다. 하지만, 물 대신 음의 굴절률을 가진 특수한 물질을 채우면, 빛이 너무 심하게 꺾여서 연필은 뒤로 젖혀져 보일 것이다. 독일 칼스루대학의 연구진들은 2004년에 광선 추적 프로그램을 이용해서, 음의 굴절률을 가진 물질이 아주 특이한 성질이 있다는 것을 보여주었다. 스넬의 법칙과 관련지어 생각해 보면 음의 굴절률은 굴절각의 부호를 음으로 잡으면 얻을 수 있을 것이다. 굴절각은 보통 아래 그림에서 표시된 방향으로 잴 때 양수로 주어진다. 따라서 법선으로부터 그 반대 방향의 굴절각은 음수로 생각할 수 있을 것이다.

(문제 1-1) 진공 중에서 진행하던 빛이 의 입사각으로 굴절률 을 가진 물질로 들어간다. 이 경우 굴절각을 구하고 입사되는 빛과 굴절되는 빛의 방향이 어떻게 될지 지문의 그림과 같이 그려서 설명하시오. 또한, 입사각을 보다 점점 크게 하거나 점점 작게 하면 굴절되는 빛의 방향이 입사각이 인 경우에 비해 어떻게 변하는지 각각의 경우에 대해 설명하시오.

(문제 1-2) 음의 굴절률을 가진 물질로 아래 그림과 같이 두께 의 직육면체의 토막을 만들어 진공 중에 놓았다고 하자. 여기서 거리 만큼 떨어진 곳에 아주 작은 크기의 단일 파장의 빛을 내는 점광원이 있다고 한다. 단, 이다. 토막의 굴절률이 이라고 할 때 광원에서 나온 빛이 토막을 지나는 경로를 그려 광원의 상이 맺히는 것이 가능한지 추론하시오. 만일 상이 맺힐 수 있다면 몇 개의 상이 어디에 맺히는지 구하시오.

(문제 1-3) 고온의 공기는 저온의 공기보다 작은 굴절률을 가지는 것으로 알려져 있어서, 더운 여름날 한낮의 아스팔트 표면 위의 공기층은 높이가 높아짐에 따라 연속적으로 굴절률이 증가하는 물질로 생각할 수 있다. 이런 현상과 굴절의 법칙을 이용하여, 더운 여름날 한낮에 상공에서 아스팔트 표면을 향해 비스듬하게 입사하는 빛의 진행 경로를 설명하고 그림으로 표시하시오. 이를 바탕으로, 더운 여름날 한낮에 아스팔트에 물이 고인 것처럼 보이는 현상(신기루 현상)이 관찰자로부터 일정한 거리 이상 떨어진 위치에서만 관측되는 이유를 설명하고, 투명망토 현상과의 유사성을 설명하시오.

(문제 1-4) 두께가 1cm 정도이고 굴절률이 인 평평한 판 모양의 매질을 라고 하자. 에 대하여, 매질 는 매질 과 빈 틈이 없이 접하여 100개의 매질 가 아래의 그림과 같이 겹쳐져 있다. 매질 에서 으로 빛이 들어갈 때의 입사각이 로 관찰되었다. 또한 이고 이라고 하자. 에서 나온 빛이 매질 에서 매질 로 입사할 때 의 내부로 들어가지 못하고 전반사되었다고 한다. 이때의 를 구하고 그 과정을 설명하시오.

[제시문 2]

(가) 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다. 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다. 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향, 즉 더 무질서해지려는 경향이다. 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다. 하지만 실제로는 그렇지 않다. 왜냐하면, 용질과 용매 분자 간의 상대적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다. 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다. 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 대한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자수도 비례하여 증가한다. 즉, 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다. 이것을 헨리의 법칙이라고 한다. 이 법칙은 산소, 질소, 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다.

(나) 우리가 호흡으로 흡입한 산소 분자는 폐의 모세 혈관에서 혈액 속의 헤모글로빈 분자와 결합되어 필요한 조직으로 이동된다. 우리 주변에서 일산화탄소의 농도가 커지면 어떻게 될까? 만일 일산화탄소에 중독된다면 어떻게 대처해야 할까? 일산화탄소는 헤모글로빈과 단단하게 결합하며 그 결합력은 산소와 헤모글로빈과의 결합력보다 200배나 강하다. 일산화탄소가 헤모글로빈과 결합하게 되면 상대적으로 결합력이 약한 산소가 헤모글로빈과 결합하지 못해 조직으로 충분히 이동하지 못하여 세포가 산소 결핍으로 죽게 되고, 환자는 두통, 어지러움, 심장 박동 감소 등을 일으키며 심하면 의식을 잃고 사망에 이를 수도 있다. 만일, 중독된 것을 빨리 발견한다면 환자를 고압 산소통 속에서 고압의 산소에 노출시켜 치료할 수 있다. 이 치료법을 적용할 때 주의해야 할 일은 치료 후 환자가 산소통에서 나오기 전에 아주 서서히 산소통의 산소 압력을 감압하는 것이다.

(다) 고리형 포화탄소 화합물인 시클로헥산(C6H12)은 각 탄소 사이의 결합각이 109.5˚로 대칭성이 높은 입체구조를 취한다. 이 경우에 분자 안의 탄소-탄소 결합을 단지 뒤틀어 놓음으로써 다수의 입체형태가 가능해 진다. 이 가운데서 대표적인 두 가지 형태는 의자 모양과 배 모양이다. 상온에서는 에너지 면에서 더 안정한 의자 모양이 압도적으로 많다. 모든 탄소결합각은 109.5˚이므로 고리는 평면구조를 벗어나 입체구조가 된다. 고리형 화합물인 포도당(C6H12O6)도 시클로헥산처럼 비평면 입체구조를 가지는 분자이다. 시클로헥산과 포도당은 아래의 그림과 같이 기본골격의 구조가 비슷하지만 물에 대한 용해도는 매우 다르다. 포도당은 물에 매우 잘 녹지만 시클로헥산은 물에 녹지 않는다.

(문제 2-1) 고압 산소통을 이용하여 일산화탄소 중독을 치료하는 원리를 헨리의 법칙으로부터 설명하고, 이 치료법 적용 후 고압 산소통의 산소 압력을 아주 서서히 낮추어야 하는 이유를 추론하시오.

(문제 2-2) 시클로헥산과 포도당은 기본골격은 비슷하지만 물에 대한 용해도가 매우 다른 이유를 설명하시오. 만약, 포도당에서 모든 OH기의 H가 CH3로 치환되어 OCH3기가 되고 기본골격은 그대로 유지한다고 하자. 이 경우, 이 분자의 물에 대한 용해도가 포도당과 비교해서 어떻게 될지 예상하고 그 이유를 설명하시오.

(문제 2-3) 의자 모양의 시클로헥산의 각 탄소 원자를 아래 그림과 같이 C1, C2, C3, C4, C5, C6 라고 이름을 붙였다. 이때, C1, C3, C5로 이루어지는 평면 P1 과 C2, C4, C6로 이루어지는 평면 P2 는 서로 평행이다. C2, C4, C6를 평면 P1 에 정사영시킨 점을 C2', C4', C6'이라 하면 C1, C2', C3, C4', C5, C6'은 정육각형의 꼭지점들이 된다. 모든 탄소-탄소 결합길이가 로 동일하다고 가정할 때 두 평면 P1, P2 사이의 거리를 구하고 그 과정을 설명하시오. (단, 로 계산한다.)

[제시문 3]

(가) 최근 영국 과학탐험협회 과학자들은 볼리비아의 아마존 탐험을 통해 ‘싱구’라는 이름의 ‘두개의 코’를 가진(double-nosed) 이상한 개를 발견하여 협회에 보고하였다. 이러한 개의 존재는 1913년에도 한 전설적인 탐험가에 의해서 보고된 바 있었는데, 그 당시에는 아무도 그의 말을 믿지 않았다. 이 이상한 모양의 개를 재발견한 것은 그 탐험가의 발견이 사실이었음을 입증하는 것이다. 또한 과거에 ‘판초 나바로’라는 비슷한 모양의 스페인 개가 있었다는 정보가 알려지면서, 스페인 정복자에 의해 남미로 옮겨진 그와 같은 개가 이번에 발견된 싱구의 조상으로 생각되고 있다. 탐험가들은 2년 전에도 싱구의 어미개 ‘벨라’를 발견하였는데, 벨라 또한 ‘두개의 코’를 가지고 있었다. 벨라는 정상의 코를 가진 수캐와 교미하여 ‘두개의 코’를 가진 강아지들을 낳았는데, 그 중 싱구만이 살아남았다. 한편, 싱구는 발견 당시 정상적으로 하나의 코를 가진 암캐와 교미하여 강아지 4마리를 낳았다. 이 중 두 마리는 ‘두개의 코’를 가졌고, 나머지 두 마리는 정상적인 코를 가졌다. ‘두개의 코’를 가진 개들은 생김새에서 예상할 수 있듯이 후각이 매우 발달되어 사냥견으로 이용되고 있으며, 앞으로 광산이나 마약 탐지 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 볼리비아 군 당국은 이 개의 활용 가능성을 조사하기 위해서 연구팀을 이 마을에 파견하였다.

(나) 매력적인 밤색 눈과 우아한 자태를 지니고 있는 사슴은 가장 인기 있는 포유류 중의 하나이다. 순록사슴이 없다면 산타가 어디를 갈 수 있겠는가? 그러나 안타깝게도 많은 종류의 사슴들이 현재 멸종 위험에 처해있다. 사슴을 보존하기 위한 가장 효과적인 전략을 찾는 것은 사슴의 기본적인 동물학, 특히 그들의 번식을 제대로 이해하는 데 달려있다. 사슴의 번식을 이해하는 것은 그리 쉬운 일이 아닌데, 특히 혼란을 일으키는 요소 중의 하나는 사슴은 서로 다른 종간의 잡종을 야생에서 자연적으로 만들 수 있으며 그 정도가 사슴의 종에 따라 다양하다는 점이다. 경우에 따라 서로 다른 종들 사이에서 태어난 잡종사슴들은 생존 확률이 매우 높으며 또한 번식력도 가질 수 있다. 예를 들어 야생에서 흰꼬리사슴종과 검은꼬리사슴종 간의 잡종은 8마리 당 한 마리 이상에 해당하는 13.8%를 차지하기도 한다. 반대로 어떤 종들은 잡종의 비율이 이보다 훨씬 낮다. 먼책사슴의 경우 중국먼책사슴종과 인도먼책사슴종 간의 잡종이 간혹 생기기도 하나 이 경우는 생식세포를 만들지 못하여 잡종이 유지되기 힘들다. 이러한 생식적인 범위의 다양성에 대한 기본원리는 명확하지 않으나 일단은 염색체의 수와 관련이 있는 것으로 보인다. 사슴과(科)에 속하는 대부분의 사슴들은 35쌍의 염색체를 지니고 있으며, 생식상으로 그들은 서로 ‘교환가능’하다고 한다. 이와 달리 어떤 사슴들은 종에 따라 염색체 수가 매우 다양하다. 인도먼책사슴종과 중국먼책사슴종은 이러한 다양성의 극단적인 예를 보여주는데 거의 비슷하게 생긴 두 먼책사슴종들은 각자가 가지고 있는 염색체의 수에 큰 차이를 보인다. 중국먼책사슴종은 23쌍의 염색체를 가지고 있지만 인도먼책사슴종은 단지 3쌍만을 가지고 있다. 유전학은 잡종과 순종간의 유전적인 혼합을 확인하는 데 매우 유용하다. 사슴의 종족 보존에 관한 결정을 내리고, 두 종간의 잡종을 대표하는 사슴 집단을 구하려고 노력을 기울이는 일에 유전학이 도움이 될 수 있다. 최근 공통된 의견은 우리가 모든 것을 다 보존할 수는 없다는 것이다. 그러므로 어려운 선택을 내려야만 한다. 올바른 선택을 위해서는 가능한 한 많은 지식이 필요하다.

(다) 고등한 생물은 같은 모양의 염색체를 두 개씩 쌍으로 가지고 있다. 두 개의 염색체에는 같은 형질에 관계하는 유전자인 대립 유전자가 같은 순서로 늘어서 있다. 이처럼 꼭 닮은 두 개의 염색체를 ‘상동 염색체’라고 한다. 상동 염색체는 감수 분열 때 접합하여 쌍을 이룬다. 개의 경우, 76개 즉 38쌍의 상동 염색체는 ‘상염색체’라고 불리며 1번에서 38번까지의 번호가 붙어 있다. 이것에 더하여 암캐는 한 쌍의 X 염색체를 가지며 수캐는 1개의 X 염색체와 1개의 Y 염색체를 가지고 있어 모두 78개가 된다. 성에 따라 다르게 존재하기 때문에 ‘성염색체’라고 불리는 X 염색체와 Y 염색체는 모양과 크기가 서로 다르지만, 감수 분열 때 서로 접합하여 쌍을 이루었다가 양 쪽으로 이동하면서 분리된다.

(문제 3-1) ‘두개의 코’ 형질은 한 쌍의 유전자에 의해 결정되며 그 유전자는 상염색체에 존재한다고 가정하자. ‘두개의 코’ 유전자를 A', 그에 대한 정상대립유전자를 A라 할 때 A'이 우성일 경우와 열성일 경우에 대하여 각각 싱구의 유전자형을 예측하고 그렇게 생각하는 이유를 서술하시오. 또한 싱구의 자손을 통해 ‘두개의 코’를 가진 순종 혈통을 얻기 위한 교배 방법을 제시하고 교배를 통하여 이 자손이 순종임을 확인할 수 있는 방법을 제시하시오.

(문제 3-2) 지문에는 외형적인 차이를 보이는 두 개들 사이에서 태어난 싱구와, 인도먼책사슴종과 중국먼책사슴종 사이에 태어날 수 있는 잡종먼책사슴이 각각 소개되어 있다. 지문에 근거하여 싱구와 잡종먼책사슴이 가지는 체세포의 염색체 수를 각각 유추하고 두 개체가 생식력에 있어 차이를 보이는 이유를 지문 (다)에 서술된 현상과 관련하여 분석하시오.

(문제 3-3) 사람의 키, 피부색, 체중과 같은 형질은 한 쌍의 유전자에 의해 나타나는 것이 아니라 여러 쌍의 유전자에 의해 표현되며 이러한 유전형질을 다인자성 형질이라고 한다. 어떤 다인자성 유전형질이 세 개의 유전자에 의해 표현되며 이때 각각의 유전자는 그 형질을 증가시키는 대립유전자(A, B, C)와 그 형질을 감소시키는 대립유전자(a, b, c) 두 가지만 존재한다고 가정하자. 유전자형이 AaBbCc인 어머니로부터 유전자형이 AABBCC인 자녀가 태어난 경우, 아버지의 유전자형이 AABBCC일 확률을 구하시오.

(단, 모든 가능한 조합의 유전 인자를 가지는 개체는 동일한 비율로 존재하고, 위의 세 유전자는 서로 다른 염색체에 위치한다고 가정한다.)

2008학년도 수시2학기 모집 논술고사 출제의도 및 문제해설(자연계)

【수시2학기 모집 논술고사 출제의도】

건국대학교 자연계 2학기 수시논술에서는 고등학교 교과과정에서 배우는 기초지식을 바탕으로 물리, 화학, 생물 교과 내용의 다양한 지문 속에 담겨있는 과학적 원리와 현상을 이해하고 통합적으로 응용할 수 있는지 평가한다. 제시된 지문은 고등학교 교과서, 전문 학술지, 과학 서적, 신문 기사 등에 기초한 다양한 출처에서 선별하여 발췌 편집하였으며 고등학교 교과서 수준의 내용과 난이도를 유지하고 있다.

[제시문 1]에서는 빛의 굴절과 스넬의 법칙과 같이 물리교과서에 수록되어 있는 내용을 중심으로 음의 굴절률을 가지는 물질의 굴절현상을 소개하고 있다. 지문의 내용을 이해하여 물리적 현상을 분석하고 추론할 수 있는지 묻는 여러 가지 질문을 통해 학생들의 텍스트의 이해도와 이에 근거한 논리적 전개능력을 파악하고자 했다. 물질의 용해도에 관련된 [제시문 2]는 일상생활에서 일어날 수 있는 일산화탄소 중독의 치료방법에서 응용되는 헨리의 법칙에 관한 설명과 분자구조와 용해도와의 관계를 고등학교 교과서의 내용을 중심으로 서술하고 있다. 현상의 관찰과 지문의 내용에 기초하여 일관성 있는 주장을 펼 수 있는지와 공간도형의 인지력과 기하적 분석능력을 알아보고자 했다. [제시문 3]에서는 돌연변이 개에 관한 보고서와 종족보존을 위한 유전학의 지식의 필요성 및 고등학교 교과과정 수준의 기본적인 감수분열과 생식세포 형성과정에 대한 설명으로 이루어져 있다. 지문에서 알 수 있는 유전학의 여러 가지 정보를 종합적으로 판단하여 이해하고 추론할 수 있는지 여부에 주안점을 두고 질문을 구성하였다. 또한 각 제시문의 내용과 부합하는 간단한 모델을 통해 수리적 논리전개능력을 활용하여 주어진 문제를 분석하여 해결 할 수 있는지 여부를 평가하는 질문도 수록하였다. 단순한 과학지식이나 암기를 통해 해결할 수 있는 문제는 지양하였고 난이도 또한 지문의 내용을 충분히 이해하면 고등학교 교과과정에서 배운 지식으로도 어렵지 않게 접근할 수 있도록 출제하였다.

이번 논술고사에서는 제시문에서 설명하고 있는 과학적 사실들을 통합적으로 이해하여 추론하고, 지문에 근거하여 자신의 주장을 논리적으로 개진할 수 있는 종합적 능력을 측정할 수 있도록 하는데 주안점을 두었다. 또한 일상생활에서 관찰할 수 있는 과학적 현상을 법칙과 관찰에 준거하여 논리적 사고 할 수 있는지와 문제해결 능력을 파악하고자 하였다. 제시문의 자세한 해설과 출제의도 및 채점기준은 다음과 같다.

【제시문 1】

(가) 영국 임페리얼대학의 존 펜드리 교수는 최근 세계적인 과학저널 ‘사이언스’에 발표한 논문에서 “이론적으로는 해리 포터가 사용하는 투명망토를 제작할 수 있지만 엔지니어링 기술이 아직 미치지 못하는 상황”이라고 밝혀 화제가 됐었다. 펜드리 교수가 밝힌 투명망토의 과학적 원리는 이렇다. 사람의 눈이나 레이더는 특정 물체가 가시광선이나 마이크로파 등을 대부분 반사시키는 성질을 이용해 그 물체를 인식한다. 따라서 어떤 물체가 마이크로파나 가시광선을 반사시키는 것을 차단하거나 왜곡시키면 그 물체가 보이지 않게 할 수 있다는 것이다. 펜드리 교수는 마이크로파나 가시광선 등을 어떤 방향에서도 굴절시킬 수 있는 ‘메타물질(metamaterial)’을 찾아내 이를 사용하면 투명망토를 제작할 수 있을 것이라고 설명했다. 메타물질이란 물질이 자연상태에서는 가지지 못하는 전자기학적인 특성을 인위적인 방법을 동원해 가지도록 만든 것을 말한다. 1960년대 말 러시아 물리학자가 가상적인 물질에 대한 논문을 쓴 이래 영국 과학자들이 2000년 음(-)의 굴절률을 가지는 물질을 만들면서 주목을 받기 시작했다. 펜드리 교수는 음의 굴절률을 가지는 메타물질은 빛이 보통 물질에서 꺾이는 것과 반대방향으로 꺾이도록 하기 때문에 메타물질 안에 구멍이 있다 해도 빛이 이 안에 도달할 수 없게 만들 수 있다는 것을 알아냈다.

(나) 빛이 나아가다가 새로운 매질을 만나면 빛의 일부는 반사된다. 빛이 반사되는 면에 수직한 선을 법선이라 부른다. 면에 도달하는 빛을 입사광, 반사되어 면을 떠나는 빛을 반사광이라 부르고, 입사광과 반사광이 법선과 이루는 각을 각각 입사각, 반사각이라 부른다. 반사가 일어날 때에는 아래 그림에서 입사각 와 반사각 이 같다. 빛이 투명한 매질에 입사하면, 반사도 일어나지만 일부는 굴절해서 매질 안으로 들어간다. 굴절되어 들어가는 빛을 굴절광이라 하고, 굴절광이 법선과 이루는 각을 굴절각(아래 그림에서 )이라 한다. 빛이 굴절되는 정도는 매질의 굴절률이라는 물리량으로 표현할 수 있는데 진공에서의 굴절률은 1로 주어진다. 네덜란드의 과학자 스넬이 발견한 법칙을 이용하면 빛이 얼마나 꺾이는지 알 수 있다. 스넬의 법칙에 따르면 입사각과 굴절각의 사인값의 비는 굴절률의 비의 역수와 같다. 즉, 아래 그림에서 이다. 여기서 은 매질 I의 굴절률이고 는 매질 II의 굴절률이다.

(다) 자연에 존재하는 물질은 모든 빛에 대해서 양(+)의 굴절률을 가지고 있다. 그런데 약 40년 전에 러시아의 물리학자인 빅토르 베셀라고는 음(-)의 굴절률을 가진 물질이 존재할 수 있으며, 이런 물질에서는 빛이 보통 꺾이는 방향과 반대 방향으로 꺾일 것으로 예측했다. 예를 들면, 음의 굴절률을 가진 물질로 만든 오목렌즈는 빛을 모아주고 볼록렌즈는 빛을 퍼지게 하여 양의 굴절률을 가진 보통의 렌즈와는 반대의 역할을 하게 될 것이다. 물이 담긴 유리 컵 안에 연필을 꽂으면 연필은 약간 꺾인 것처럼 보인다. 하지만, 물 대신 음의 굴절률을 가진 특수한 물질을 채우면, 빛이 너무 심하게 꺾여서 연필은 뒤로 젖혀져 보일 것이다. 독일 칼스루대학의 연구진들은 2004년에 광선 추적 프로그램을 이용해서, 음의 굴절률을 가진 물질이 아주 특이한 성질이 있다는 것을 보여주었다. 스넬의 법칙과 관련지어 생각해 보면 음의 굴절률은 굴절각의 부호를 음으로 잡으면 얻을 수 있을 것이다. 굴절각은 보통 아래 그림에서 표시된 방향으로 잴 때 양수로 주어진다. 따라서 법선으로부터 그 반대 방향의 굴절각은 음수로 생각할 수 있을 것이다.

(문제 1-1) 진공 중에서 진행하던 빛이 의 입사각으로 굴절률 을 가진 물질로 들어간다. 이 경우 굴절각을 구하고 입사되는 빛과 굴절되는 빛의 방향이 어떻게 될지 지문의 그림과 같이 그려서 설명하시오. 또한, 입사각을 보다 점점 크게 하거나 점점 작게 하면 굴절되는 빛의 방향이 입사각이 인 경우에 비해 어떻게 변하는지 각각의 경우에 대해 설명하시오.

(문제 1-2) 음의 굴절률을 가진 물질로 아래 그림과 같이 두께 의 직육면체의 토막을 만들어 진공 중에 놓았다고 하자. 여기서 거리 만큼 떨어진 곳에 아주 작은 크기의 단일 파장의 빛을 내는 점광원이 있다고 한다. 단, 이다. 토막의 굴절률이 이라고 할 때 광원에서 나온 빛이 토막을 지나는 경로를 그려 광원의 상이 맺히는 것이 가능한지 추론하시오. 만일 상이 맺힐 수 있다면 몇 개의 상이 어디에 맺히는지 구하시오.

(문제 1-3) 고온의 공기는 저온의 공기보다 작은 굴절률을 가지는 것으로 알려져 있어서, 더운 여름날 한낮의 아스팔트 표면 위의 공기층은 높이가 높아짐에 따라 연속적으로 굴절률이 증가하는 물질로 생각할 수 있다. 이런 현상과 굴절의 법칙을 이용하여, 더운 여름날 한낮에 상공에서 아스팔트 표면을 향해 비스듬하게 입사하는 빛의 진행 경로를 설명하고 그림으로 표시하시오. 이를 바탕으로, 더운 여름날 한낮에 아스팔트에 물이 고인 것처럼 보이는 현상(신기루 현상)이 관찰자로부터 일정한 거리 이상 떨어진 위치에서만 관측되는 이유를 설명하고, 투명망토 현상과의 유사성을 설명하시오.

(문제 1-4) 두께가 1cm 정도이고 굴절률이 인 평평한 판 모양의 매질을 라고 하자. 에 대하여, 매질 는 매질 과 빈 틈이 없이 접하여 100개의 매질 가 아래의 그림과 같이 겹쳐져 있다. 매질 에서 으로 빛이 들어갈 때의 입사각이 로 관찰되었다. 또한 이고 이라고 하자. 에서 나온 빛이 매질 에서 매질 로 입사할 때 의 내부로 들어가지 못하고 전반사되었다고 한다. 이때의 를 구하고 그 과정을 설명하시오.

【제시문 해설 및 출제의도】

2006년 Science지에서 선정한 ‘10대 획기적인 과학기술’ 중의 하나인 메타물질이 가지는 음의 굴절률 현상과 관련된 굴절의 법칙을 설명하는 지문을 중심으로 음의 굴절률 현상을 고등학교 교과과정에서 배운 일반적인 굴절의 법칙을 이용하여 이해할 수 있는지를 측정한다. 그리고, 이를 바탕으로 자연 현상을 지배하는 물리적 법칙의 적용력과 주어진 설문에 대한 이해력과 응용력을 평가하고자 했다. 신기루같은 물리 현상을 모델을 통하여 이해하고 정확한 예측을 할 수 있는 복합적인 수리능력을 측정하고자 했다.

(지문출처)

(가) 한국경제신문 2006.10.30 발췌 편집

(나) ‘속 보이는 물리, 빛과 파동 흔들기’, 한국물리학회 지음, 동아 사이언스 발췌 편집

(다) Science Times 2007.05.14 발췌 편집

【문제 해설 및 채점기준】

(문제 1-1) 지문을 통하여 음의 굴절률의 개념을 이해하고, 빛의 굴절 법칙인 스넬의 법칙을 적절히 활용할 수 있는지 물어보는 문제이다. 음의 굴절률을 가지고 있는 물체에 빛이 입사한 경우, 스넬의 법칙을 이용하여 굴절광의 경로를 유추하고, 정확한 굴절각을 유도하면 완벽한 답안이라고 할 수 있다. 음의 굴절률의 개념과 스넬의 법칙의 상관관계의 이해도가 중요한 평가 요소이다.

(문제 1-2) 지문을 통해 파악된 음의 굴절률의 개념을 이용하여, 평면 렌즈의 가능성을 유추할 수 있는지 물어보는 문제이다. 음의 굴절률을 가지는 물체와 양의 굴절률을 가지는 물체의 계면에서 빛이 굴절하는 현상을 제대로 이해하고, 물체에서 나온 빛이 상을 맺는 원리를 이용하여, 빛의 경로를 유추하고 상의 위치를 정확히 유도할 수 있으면 만점을 받을 수 있다. 음의 굴절률에 대한 개념과 물체에서 나온 빛이 상을 맺는 원리의 이해도에 따라 부분 점수를 얻을 수 있다.

(문제 1-3) 스넬의 법칙과 전반사 현상을 이용하여 신기루 현상을 추론하는 능력과 투명망토 현상과의 유사성을 파악할 수 있는지 물어보는 문제이다. 스넬의 법칙을 연속적으로 굴절률이 감소하는 매질에 대해서 적용하여, 전반사 현상이 발생할 때 신기루 현상이 나타날 수 있음을 추론하고, 이러한 빛의 굴절에 의한 사물의 왜곡이 투명망토 현상과의 유사성임을 설명할 수 있으면 만점을 받을 수 있다. 스넬의 법칙을 적절히 활용하지 못하거나, 굴절에 의한 전반사가 신기루 현상의 원인임을 파악하지 못하거나, 투명망토 현상과의 유사성을 설명하지 못하면 감점 요인이 될 수 있다.

(문제 1-4) 신기루 현상의 모델로서 상대 굴절률을 이용하여 겹쳐진 매질에 대한 굴절각을 구하여 전반사가 될 정량적 조건을 찾는 문제이다. 매질의 상대 굴절률을 주어진 조건으로부터 유추하고 겹쳐진 매질의 전체적인 굴절률을 계산한 다음 임계각과의 대소를 비교하여 전반사 조건을 정확하게 이끌어내면 훌륭한 답안이고 문제 해결 과정에서 전반사와 굴절률에 대한 이해 정도에 따라 부분 점수를 얻을 수 있다.

【제시문 2】

(가) 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다. 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다. 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향, 즉 더 무질서해지려는 경향이다. 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다. 하지만 실제로는 그렇지 않다. 왜냐하면, 용질과 용매 분자 간의 상대적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다. 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다. 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 대한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자수도 비례하여 증가한다. 즉, 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다. 이것을 헨리의 법칙이라고 한다. 이 법칙은 산소, 질소, 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다.

(나) 우리가 호흡으로 흡입한 산소 분자는 폐의 모세 혈관에서 혈액 속의 헤모글로빈 분자와 결합되어 필요한 조직으로 이동된다. 우리 주변에서 일산화탄소의 농도가 커지면 어떻게 될까? 만일 일산화탄소에 중독된다면 어떻게 대처해야 할까? 일산화탄소는 헤모글로빈과 단단하게 결합하며 그 결합력은 산소와 헤모글로빈과의 결합력보다 200배나 강하다. 일산화탄소가 헤모글로빈과 결합하게 되면 상대적으로 결합력이 약한 산소가 헤모글로빈과 결합하지 못해 조직으로 충분히 이동하지 못하여 세포가 산소 결핍으로 죽게 되고, 환자는 두통, 어지러움, 심장 박동 감소 등을 일으키며 심하면 의식을 잃고 사망에 이를 수도 있다. 만일, 중독된 것을 빨리 발견한다면 환자를 고압 산소통 속에서 고압의 산소에 노출시켜 치료할 수 있다. 이 치료법을 적용할 때 주의해야 할 일은 치료 후 환자가 산소통에서 나오기 전에 아주 서서히 산소통의 산소 압력을 감압하는 것이다.

(다) 고리형 포화탄소 화합물인 시클로헥산(C6H12)은 각 탄소 사이의 결합각이 109.5˚로 대칭성이 높은 입체구조를 취한다. 이 경우에 분자 안의 탄소-탄소 결합을 단지 뒤틀어 놓음으로써 다수의 입체형태가 가능해 진다. 이 가운데서 대표적인 두 가지 형태는 의자 모양과 배 모양이다. 상온에서는 에너지 면에서 더 안정한 의자 모양이 압도적으로 많다. 모든 탄소결합각은 109.5˚이므로 고리는 평면구조를 벗어나 입체구조가 된다. 고리형 화합물인 포도당(C6H12O6)도 시클로헥산처럼 비평면 입체구조를 가지는 분자이다. 시클로헥산과 포도당은 아래의 그림과 같이 기본골격의 구조가 비슷하지만 물에 대한 용해도는 매우 다르다. 포도당은 물에 매우 잘 녹지만 시클로헥산은 물에 녹지 않는다.

(문제 2-1) 고압 산소통을 이용하여 일산화탄소 중독을 치료하는 원리를 헨리의 법칙으로부터 설명하고, 이 치료법 적용 후 고압 산소통의 산소 압력을 아주 서서히 낮추어야 하는 이유를 추론하시오.

(문제 2-2) 시클로헥산과 포도당은 기본골격은 비슷하지만 물에 대한 용해도가 매우 다른 이유를 설명하시오. 만약, 포도당에서 모든 OH기의 H가 CH3로 치환되어 OCH3기가 되고 기본골격은 그대로 유지한다고 하자. 이 경우, 이 분자의 물에 대한 용해도가 포도당과 비교해서 어떻게 될지 예상하고 그 이유를 설명하시오.

(문제 2-3) 의자 모양의 시클로헥산의 각 탄소 원자를 아래 그림과 같이 C1, C2, C3, C4, C5, C6 라고 이름을 붙였다. 이때, C1, C3, C5로 이루어지는 평면 P1 과 C2, C4, C6로 이루어지는 평면 P2 는 서로 평행이다. C2, C4, C6를 평면 P1 에 정사영시킨 점을 C2', C4', C6'이라 하면 C1, C2', C3, C4', C5, C6'은 정육각형의 꼭지점들이 된다. 모든 탄소-탄소 결합길이가 로 동일하다고 가정할 때 두 평면 P1, P2 사이의 거리를 구하고 그 과정을 설명하시오. (단, 로 계산한다.)

【제시문 해설 및 출제의도】

물질의 용해도와 그와 관련된 생활속 현상을 예로 든 지문을 중심으로 용해도에 영향을 미치는 인자들에 대한 이해와 분자의 기하학적 구조에 대한 분석능력을 평가한다. 일산화탄소 중독의 치료방법에 응용되는 화학적 원리인 헨리의 법칙을 이해하고 적용할 수 있는지 평가한다. 더불어, 분자의 입체구조를 이해하는 과정에서 고등학교 교과과정에서 배우는 기하 문제 해결 능력을 함께 평가하고자 한다.

(지문출처)

(가), (다) 고등학교 화학 교과서 내용 발췌 편집

(나) 고등학교 화학 교과서, 교학사 내용 발췌 편집

【문제 해설 및 채점기준】

(문제 2-1)

지문을 통해 일산화탄소 중독의 치료방법에 응용되는 화학적 원리인 헨리의 법칙을 이해하고 적용할 수 있는지 물어보는 문제이다. 치료시 산소통의 압력을 급격히 감압할 경우 혈액에서 산소의 용해도가 급속히 감소하여 산소 거품이 생겨 위험할 수 있다는 사실을 유추할 수 있으면 좋은 답안이라 할 수 있다. 치료시 산소통의 압력과 산소의 용해도 관계를 이해하는 정도에 따라 부분 점수를 얻을 수 있다.

(문제 2-2)

시클로헥산과 포도당의 분자구조를 이해하여 분자의 특성과 용해도와의 상관관계를 종합적으로 이해할 수 있는지 물어보는 문제이다. 분자 내 극성의 유무를 판단하고 수소결합의 본질을 이해하여, 포도당이 물에 잘 녹는 현상과 시클로헥산이 물과 섞이지 않는 현상을 추론하면 좋은 답안이라고 할 수 있다. 분자의 극성과 수소결합의 이해 정도에 따라 부분 점수를 부여할 수 있다.

(문제 2-3)

시클로헥산의 분자구조를 입체적으로 잘 이해하여 평행한 두 평면사이의 거리를 수리적으로 유추할 수 있는지 물어보는 문제이다. 코사인 법칙과 피타고라스 정리 등을 이용하여 높이를 정확히 계산하면 좋은 답안이고, 기하학적 구조의 이해 정도와 기본적인 평면 기하학 법칙의 활용 정도에 따라 부분 점수를 얻을 수 있다.

【제시문 3】

(가) 최근 영국 과학탐험협회 과학자들은 볼리비아의 아마존 탐험을 통해 ‘싱구’라는 이름의 ‘두개의 코’를 가진(double-nosed) 이상한 개를 발견하여 협회에 보고하였다. 이러한 개의 존재는 1913년에도 한 전설적인 탐험가에 의해서 보고된 바 있었는데, 그 당시에는 아무도 그의 말을 믿지 않았다. 이 이상한 모양의 개를 재발견한 것은 그 탐험가의 발견이 사실이었음을 입증하는 것이다. 또한 과거에 ‘판초 나바로’라는 비슷한 모양의 스페인 개가 있었다는 정보가 알려지면서, 스페인 정복자에 의해 남미로 옮겨진 그와 같은 개가 이번에 발견된 싱구의 조상으로 생각되고 있다. 탐험가들은 2년 전에도 싱구의 어미개 ‘벨라’를 발견하였는데, 벨라 또한 ‘두개의 코’를 가지고 있었다. 벨라는 정상의 코를 가진 수캐와 교미하여 ‘두개의 코’를 가진 강아지들을 낳았는데, 그 중 싱구만이 살아남았다. 한편, 싱구는 발견 당시 정상적으로 하나의 코를 가진 암캐와 교미하여 강아지 4마리를 낳았다. 이 중 두 마리는 ‘두개의 코’를 가졌고, 나머지 두 마리는 정상적인 코를 가졌다. ‘두개의 코’를 가진 개들은 생김새에서 예상할 수 있듯이 후각이 매우 발달되어 사냥견으로 이용되고 있으며, 앞으로 광산이나 마약 탐지 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 볼리비아 군 당국은 이 개의 활용 가능성을 조사하기 위해서 연구팀을 이 마을에 파견하였다.

(나) 매력적인 밤색 눈과 우아한 자태를 지니고 있는 사슴은 가장 인기 있는 포유류 중의 하나이다. 순록사슴이 없다면 산타가 어디를 갈 수 있겠는가? 그러나 안타깝게도 많은 종류의 사슴들이 현재 멸종 위험에 처해있다. 사슴을 보존하기 위한 가장 효과적인 전략을 찾는 것은 사슴의 기본적인 동물학, 특히 그들의 번식을 제대로 이해하는 데 달려있다. 사슴의 번식을 이해하는 것은 그리 쉬운 일이 아닌데, 특히 혼란을 일으키는 요소 중의 하나는 사슴은 서로 다른 종간의 잡종을 야생에서 자연적으로 만들 수 있으며 그 정도가 사슴의 종에 따라 다양하다는 점이다. 경우에 따라 서로 다른 종들 사이에서 태어난 잡종사슴들은 생존 확률이 매우 높으며 또한 번식력도 가질 수 있다. 예를 들어 야생에서 흰꼬리사슴종과 검은꼬리사슴종 간의 잡종은 8마리 당 한 마리 이상에 해당하는 13.8%를 차지하기도 한다. 반대로 어떤 종들은 잡종의 비율이 이보다 훨씬 낮다. 먼책사슴의 경우 중국먼책사슴종과 인도먼책사슴종 간의 잡종이 간혹 생기기도 하나 이 경우는 생식세포를 만들지 못하여 잡종이 유지되기 힘들다. 이러한 생식적인 범위의 다양성에 대한 기본원리는 명확하지 않으나 일단은 염색체의 수와 관련이 있는 것으로 보인다. 사슴과(科)에 속하는 대부분의 사슴들은 35쌍의 염색체를 지니고 있으며, 생식상으로 그들은 서로 ‘교환가능’하다고 한다. 이와 달리 어떤 사슴들은 종에 따라 염색체 수가 매우 다양하다. 인도먼책사슴종과 중국먼책사슴종은 이러한 다양성의 극단적인 예를 보여주는데 거의 비슷하게 생긴 두 먼책사슴종들은 각자가 가지고 있는 염색체의 수에 큰 차이를 보인다. 중국먼책사슴종은 23쌍의 염색체를 가지고 있지만 인도먼책사슴종은 단지 3쌍만을 가지고 있다. 유전학은 잡종과 순종간의 유전적인 혼합을 확인하는 데 매우 유용하다. 사슴의 종족 보존에 관한 결정을 내리고, 두 종간의 잡종을 대표하는 사슴 집단을 구하려고 노력을 기울이는 일에 유전학이 도움이 될 수 있다. 최근 공통된 의견은 우리가 모든 것을 다 보존할 수는 없다는 것이다. 그러므로 어려운 선택을 내려야만 한다. 올바른 선택을 위해서는 가능한 한 많은 지식이 필요하다.

(다) 고등한 생물은 같은 모양의 염색체를 두 개씩 쌍으로 가지고 있다. 두 개의 염색체에는 같은 형질에 관계하는 유전자인 대립 유전자가 같은 순서로 늘어서 있다. 이처럼 꼭 닮은 두 개의 염색체를 ‘상동 염색체’라고 한다. 상동 염색체는 감수 분열 때 접합하여 쌍을 이룬다. 개의 경우, 76개 즉 38쌍의 상동 염색체는 ‘상염색체’라고 불리며 1번에서 38번까지의 번호가 붙어 있다. 이것에 더하여 암캐는 한 쌍의 X 염색체를 가지며 수캐는 1개의 X 염색체와 1개의 Y 염색체를 가지고 있어 모두 78개가 된다. 성에 따라 다르게 존재하기 때문에 ‘성염색체’라고 불리는 X 염색체와 Y 염색체는 모양과 크기가 서로 다르지만, 감수 분열 때 서로 접합하여 쌍을 이루었다가 양 쪽으로 이동하면서 분리된다.

(문제 3-1) ‘두개의 코’ 형질은 한 쌍의 유전자에 의해 결정되며 그 유전자는 상염색체에 존재한다고 가정하자. ‘두개의 코’ 유전자를 A', 그에 대한 정상대립유전자를 A라 할 때 A'이 우성일 경우와 열성일 경우에 대하여 각각 싱구의 유전자형을 예측하고 그렇게 생각하는 이유를 서술하시오. 또한 싱구의 자손을 통해 ‘두개의 코’를 가진 순종 혈통을 얻기 위한 교배 방법을 제시하고 교배를 통하여 이 자손이 순종임을 확인할 수 있는 방법을 제시하시오.

(문제 3-2) 지문에는 외형적인 차이를 보이는 두 개들 사이에서 태어난 싱구와, 인도먼책사슴종과 중국먼책사슴종 사이에 태어날 수 있는 잡종먼책사슴이 각각 소개되어 있다. 지문에 근거하여 싱구와 잡종먼책사슴이 가지는 체세포의 염색체 수를 각각 유추하고 두 개체가 생식력에 있어 차이를 보이는 이유를 지문 (다)에 서술된 현상과 관련하여 분석하시오.

(문제 3-3) 사람의 키, 피부색, 체중과 같은 형질은 한 쌍의 유전자에 의해 나타나는 것이 아니라 여러 쌍의 유전자에 의해 표현되며 이러한 유전형질을 다인자성 형질이라고 한다. 어떤 다인자성 유전형질이 세 개의 유전자에 의해 표현되며 이때 각각의 유전자는 그 형질을 증가시키는 대립유전자(A, B, C)와 그 형질을 감소시키는 대립유전자(a, b, c) 두 가지만 존재한다고 가정하자. 유전자형이 AaBbCc인 어머니로부터 유전자형이 AABBCC인 자녀가 태어난 경우, 아버지의 유전자형이 AABBCC일 확률을 구하시오.

(단, 모든 가능한 조합의 유전 인자를 가지는 개체는 동일한 비율로 존재하고, 위의 세 유전자는 서로 다른 염색체에 위치한다고 가정한다.)

【제시문 해설 및 출제의도】

제시문은 ‘두개의 코’를 가진 돌연변이 개에 관한 내용과 서로 다른 사슴 종들 사이에 생겨날 수 있는 잡종사슴들에 관한 내용 및 고등학교 교과과정 수준의 기본적인 감수분열과 생식세포 형성과정에 대한 설명으로 이루어져 있다. 우성, 열성, 유전자형, 표현형, 다인자 유전 양식 등 유전학에 대한 기본 지식과 상동염색체의 접합과 분리 등을 포함한 감수분열의 개념을 정확하게 이해하고 있는지 여부와 지문으로부터 유추한 내용을 기본지식들과 연관시켜 정답을 추론하는 능력이 있는지 평가한다.

(지문출처)

(가) 과학탐험학회 홈페이지 참고

(나) 한국과학기술정보연구원 자료 발췌 편집

(다) ‘세포-분자적 접근 4판’, 쿠퍼, ASM 출판 참고

【문제 해설 및 채점기준】

(문제 3-1) 돌연변이 형질을 가진 싱구의 순수혈통(동형접합자)을 유지하는 일반적인 방법에 대한 이해도를 물어보는 문제이다. 우성 형질을 보이는 개체의 경우, 이형접합자와 우성유전자 동형접합자로 존재할 수 있으며, 열성 형질을 보이는 개체의 경우, 오직 열성유전자 동형접합자로만 존재한다는 사실을 알고 이용할 수 있는지 여부가 중요한 평가 요소가 된다. 또한 우성유전자 동형접합자를 가지는 개체를 검정교배 방법을 적용하여 찾아서 교배하는 방법을 논리적으로 제시한 경우를 정답이라 할 수 있다.

(문제 3-2) 지문으로부터 생식세포를 형성할 때 일어나는 감수분열과정에서 상동염색체의 접합 여부가 잡종의 번식능력을 결정할 수 있다는 유전 현상을 추론할 수 있는지 평가하는 문제이다. 정상적인 생식세포가 만들어지려면 감수분열 단계에서 짝이 맞는 상동염색체끼리 서로 접합하여야 한다. 생식세포를 형성할 때 생기는 상동염색체 접합현상의 중요성을 충분히 이해하는지의 여부가 중요한 평가 요소가 되며 지문에 소개된 다른 종의 두 개체의 체세포 및 생식세포 형성 과정을 정확히 분석하여 답안을 작성한 경우 정답으로 처리한다.

(문제 3-3) 일상에서 벌어질 수 있는 유전 현상을 다인자 유전의 관점에서 간단한 수리적인 가설을 통하여 이해하고 분석할 수 있는지의 여부를 물어보는 문제이다. 다인자 유전에서 다른 염색체에 존재하는 유전자의 독립적 유전현상을 이해하는 것이 중요하다. 관련 유전자가 3개인 다인자 유전에서 가능한 유전자 조합의 경우의 수를 계산하고, 이로부터 조건부 확률을 이용하여 정확한 답을 도출한 경우에 정답이 된다. 문제 해결 과정에서 경우의 수와 조건부 확률에 대한 이해 정도에 따라 부분 점수를 얻을 수 있다.

[논]건국대2008수시2논술(자연).hwp