Problem Analysis #2

79.72s
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Problem Statement

다음 글을 읽고 물음에 답하시오. 팽창이란 물체의 온도 변화에 따라 그 길이, 부피가 변화하는 현상을 말한다. 그중 길이의 변화를 수치화한 것이 선형 열팽창 계수인데, 이는 온도 변화에 따른 길이 변화율을 온도 변화량으로 나눈 값이다. 여기에서 길이 변화율은 길이의 변화량을 처음 길이로 나누어 ⓐ얻는\underline{ⓐ얻는} 값이며, 변화량이란 나중 값에서 처음 값을 뺀 것이다. 대부분의 물질은 선형 열팽창 계수가 양수이며 물질마다 그 값이 다르다. 합금인 인바(invar)와 순수한 금속인 알루미늄은 선형 열팽창 계수가 양수인 물질이며 인바는 알루미늄에 비해 매우 작은 선형 열팽창 계수를 갖는다. 선형 열팽창 계수가 다른 두 종류의 물질 P와 Q를 서로 같은 두께의 두 층으로 접합하여 평평한 띠를 만든다고 하자. 이때 Q가 P보다 선형 열팽창 계수가 크다면 온도를 올렸을 때 Q층은 P층보다 더 팽창하려고 한다. 그러나 두 층이 접합되어 있어 독립적인 팽창이 억제되므로, <그림>과 같이 띠가 P층 쪽으로 원의 호 형태로 휘면서 팽창한 후 그 상태를 유지한다. 이후 다시 처음의 온도로 내리면 띠는 원래 모양으로 ⓑ돌아온다\underline{ⓑ돌아온다}. 물체의 휨의 정도는 곡률로 수치화할 수 있는데, 띠 또한 휨의 정도를 곡률로 나타낸다. 띠의 길이에 비해 두께가 매우 얇고 폭이 좁아 띠를 하나의 곡선이라고 간주하면, 띠를 원의 호로 생각할 수 있다. 이때 이 원의 호를 포함하는 원의 반지름을 휘어진 띠의 곡률 반지름이라 하는데, 곡률은 이 곡률 반지름의 역수이다. 즉, 곡률 반지름이 작을수록 더 심하게 휘어진 것이다. 다른 조건이 동일하다면 두 물질의 선형 열팽창 계수 차이가 크거나 온도 변화가 클수록 띠가 더 휘어진다. 온도 변화량이 같아도 띠를 이루는 물질에 따라 띠가 휘는 정도는 달라지며, 이를 나타내는 것이 휨 민감도이다. 휨 민감도가 더 크다는 것은 같은 온도 변화량에서 띠가 더 심하게 휨을 의미한다. 띠의 한쪽 끝을 고정하고 열을 가하면 띠가 휘면서 반대쪽 끝이 움직이는 액추에이터가 된다. 액추에이터란 열에너지 등을 기계적 동작으로 변환하는 장치로, 액추에이터의 설계에는 최대 이동 거리, 띠가 외부에 가할 수 있는 힘, 반응 완료 시간 등이 고려된다. 띠가 휠수록 고정되지 않은 끝의 이동 거리는 커진다. 최대 이동 거리는 휨을 방해하는 외부의 힘이 없다고 가정할 때 주어진 온도 변화량에서 띠의 끝이 최대로 이동할 수 있는 거리이다. 이 값은 띠의 길이에 따라 달라진다. 띠가 휘면서 띠의 끝이 외부에 힘을 가할 수 있는데, 이 힘은 띠의 끝이 최대 이동 거리에 도달하여 휨이 완료되었을 때 소멸된다. 따라서 띠가 외부에 가할 수 있는 힘이 소멸되는 시점은 최대 이동 거리에 도달했을 때이고, 이는 띠가 휘는 과정에서 최대의 곡률에 도달했을 때와 같다. 반응 완료 시간 또한 고려해야 하는데, 반응 완료 시간은 온도를 올리기 시작한 시점부터 띠의 끝이 최대 이동 거리에 도달하기까지의 시간이고, 띠의 두께가 얇을수록 짧다.

  1. 윗글을 바탕으로 \textless 보기\textgreater를 이해한 내용으로 적절한 것은? [3점] \textless 보기\textgreater 두 물질을 접합하여 두 층으로 만든 두 종류의 띠 a와 b가 있다. 두 물질의 선형 열팽창 계수의 차이는 b가 a보다 크고, 두께와 길이는 a, b 모두 같다. 이 띠를 활용하여 오른쪽 그림과 같이 띠가 안으로 휘어 물체를 잡는 집게를 만들었다. a를 두 개 사용한 것은 집게 A이고, b를 두 개 사용한 것은 집게 B이다. 온도 T0에서 A와 B의 모든 띠는 평평한 형태였다. 이후 온도를 T1로 올렸을 때는 B만 물체를 잡을 수 있었다. 그런데 T0에서 T1보다 높은 온도인 T2로 온도를 올렸을 때는 A도 물체를 잡을 수 있었다. (단, 선형 열팽창 계수 차이, 온도 변화 외에 휨에 영향을 주는 다른 요소는 고려하지 않음.)

① T0에서 T1로 올렸을 때보다 T0에서 T2로 올렸을 때, a와 b 모두 외부에 가할 수 있는 힘이 소멸되는 시점의 곡률은 더 크겠군. ewline ② T0에서 T1로 올렸을 때, a와 b 각각의 휨이 멈춘 시점에서의 a의 곡률 반지름은 b의 곡률 반지름보다 작겠군. ewline ③ T0에서 T1로 올렸을 때, A와 B 각각의 동작이 멈추는 데 걸린 시간이 서로 같았다면 b의 반응 완료 시간이 a보다 짧겠군. ewline ④ T0에서 T2로 올렸을 때, a의 최대 이동 거리가 b보다 더 크겠군. ewline ⑤ B와 달리, T2가 되어야 A가 물체를 잡을 수 있었던 것은 a가 b보다 휨 민감도가 크기 때문이겠군.

Ground Truth
Execution Trace
Reasoning Process

[THOUGHT] The problem asks us to identify the correct statement based on the provided text and a specific scenario involving bimetallic strips.

1. Analyze the Text and Scenario:

  • Bimetallic Strip Principle: A strip made of two materials (P and Q) bends if their Linear Thermal Expansion Coefficients (LTEC) differ. If Q has a larger LTEC than P, the strip bends towards P (the side with the smaller coefficient) upon heating.
  • Key Factors for Bending:
    • LTEC Difference: A larger difference leads to more bending (higher curvature).
    • Temperature Change: A larger temperature change leads to more bending.
    • Flexural Sensitivity (휨 민감도): Represents how much a strip bends for a given temperature change. Higher sensitivity means more bending.
  • Actuator Characteristics:
    • Max Moving Distance: The distance the tip moves when there is no external resistance. This corresponds to the state of maximum curvature where the force exerted on the outside becomes zero.
    • Force: The strip exerts force while bending. This force vanishes when the strip reaches its maximum moving distance (maximum curvature).
    • Response Completion Time: Time to reach the maximum moving distance. Thinner strips have shorter times.
  • Scenario in <Example>:
    • Two strips, aa and bb.
    • LTEC difference: b>ab > a. (So bb bends more for the same ΔT\Delta T).
    • Dimensions: Same thickness and length.
    • Grippers A (using aa) and B (using bb).
    • At T1T_1: B grabs the object, A does not. (B bent enough, A did not).
    • At T2T_2 (T2>T1T_2 > T_1): A also grabs the object.

2. Evaluate the Options:

  • ① T0에서 T1로 올렸을 때보다 T0에서 T2로 올렸을 때, a와 b 모두 외부에 가할 수 있는 힘이 소멸되는 시점의 곡률은 더 크겠군.

    • The "point where the force exerted on the outside vanishes" is defined in the text as the state where the strip reaches its maximum moving distance and maximum curvature (the stress-free bent state).
    • The text states: "Other conditions being equal... the larger the temperature change, the more the strip bends."
    • Bending more means a larger curvature.
    • Since the temperature change T0T2T_0 \to T_2 is larger than T0T1T_0 \to T_1 (because T2>T1T_2 > T_1), the maximum curvature (at the force vanishing point) for T2T_2 will be larger than for T1T_1.
    • This applies to both strips aa and bb.
    • Therefore, this statement is correct.
  • ② T0에서 T1로 올렸을 때, a와 b 각각의 휨이 멈춘 시점에서의 a의 곡률 반지름은 b의 곡률 반지름보다 작겠군.

    • At T1T_1, B grabs the object (bends significantly), while A does not (bends less).
    • Even theoretically, since the LTEC difference of b>ab > a, strip bb bends more than aa for the same temperature.
    • Bending more means higher curvature and smaller radius of curvature.
    • So, Radius(bb) < Radius(aa).
    • The option claims Radius(aa) < Radius(bb). This is incorrect.
  • ③ T0에서 T1로 올렸을 때, A와 B 각각의 동작이 멈추는 데 걸린 시간이 서로 같았다면 b의 반응 완료 시간이 a보다 짧겠군.

    • Let tstopt_{stop} be the time when movement stopped.
    • A stops because it reaches its maximum displacement (it didn't grab anything). So tstop=Response Completion Time of at_{stop} = \text{Response Completion Time of } a (RCTaRCT_a).
    • B stops because it hits the object. This happens before it reaches its full potential displacement (since it exerts force on the object, it hasn't reached the "force vanishes" point). So tstop<Response Completion Time of bt_{stop} < \text{Response Completion Time of } b (RCTbRCT_b).
    • Given tstopt_{stop} is the same for both, we have RCTa=tstop<RCTbRCT_a = t_{stop} < RCT_b.
    • So RCTb>RCTaRCT_b > RCT_a.
    • The option claims bb's time is shorter (RCTb<RCTaRCT_b < RCT_a). This is incorrect.
  • ④ T0에서 T2로 올렸을 때, a의 최대 이동 거리가 b보다 더 크겠군.

    • Max moving distance depends on the degree of bending.
    • Since strip bb has a larger LTEC difference, it bends more than aa for the same temperature change.
    • Therefore, bb has a larger maximum moving distance.
    • The option claims a>ba > b. This is incorrect.
  • ⑤ B와 달리, T2가 되어야 A가 물체를 잡을 수 있었던 것은 a가 b보다 휨 민감도가 크기 때문이겠군.

    • Flexural sensitivity indicates how much a strip bends for a given temperature.
    • Since bb bent enough at T1T_1 but aa needed a higher temperature T2T_2, bb is more sensitive than aa.
    • Also, sensitivity is linked to the LTEC difference, which is larger for bb.
    • The option claims aa has greater sensitivity. This is incorrect.

Conclusion: Option 1 correctly interprets the relationship between temperature change and the curvature at the theoretical state of maximum expansion (where force vanishes).

\boxed{①}

Final Model Output

Comparative Analysis (P2) (Average across runs)

Avg Time Taken

K-EXAONE-236B-A23B
214.9
Gemini-3-Pro-Preview
79.7
Solar Pro 3 (Round 2)
29.3
GPT-5.2 (high)
28.3
Kanana-2-30B-Thinking-2601
16.2

Avg Token Usage

K-EXAONE-236B-A23B
14928.3
Gemini-3-Pro-Preview
9136.0
Solar Pro 3 (Round 2)
5347.7
Kanana-2-30B-Thinking-2601
3662.0
GPT-5.2 (high)
2870.0
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