Física para Ciencias e Ingeniería 9e Volumen 2 - Serway 2015 PDF

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VOLUMEN OLUMEN 2 NOVENA NOVENA EDICIÓN ED DICIÓN FÍSICA para ciencias e ingeniería SERWAY Ŷ JEWETT Física NOVENA EDICIÓN para ciencias e ingeniería Volumen 2 Raymond A. Serway Emeritus, James Madison University John W. Jewett, Jr. Emeritus, California State Polytechnic University, Pomona Con las contribuciones de Vahé Peroomian, University of California en Los Angeles Traducción María del Carmen Rodríguez Pedroza Revisión técnica Dr. Ernesto Filio López Unidad Profesional en Ingeniería y Tecnologías Aplicadas Instituto Politécnico Nacional © Ashley Cooper/Corbis Australia Brasil Corea España Estados Unidos Japón México Reino Unido Singapur  Física para ciencias e ingeniería © D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de Volumen 2 C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Novena edición Corporativo Santa Fe Raymond A. Serway/John W. Jewett, Jr. Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe Presidente de Cengage Learning C.P. 05349, México, D.F. Latinoamérica: Cengage Learning® es una marca registrada Fernando Valenzuela Migoya usada bajo permiso. Director Editorial, de Producción y de DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de Plataformas Digitales para Latinoamérica: este trabajo amparado por la Ley Federal del Ricardo H. Rodríguez Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: cualquier forma o por cualquier medio, ya sea Claudia C. Garay Castro gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, Gerente de Manufactura para Latinoamérica: reproducción, escaneo, digitalización, Raúl D. Zendejas Espejel grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o Gerente Editorial de Contenidos en Español: almacenamiento y recopilación en sistemas Pilar Hernández Santamarina de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal Gerente de Proyectos Especiales: del Derecho de Autor, sin el consentimiento Luciana Rabuffetti por escrito de la Editorial. Coordinador de Manufactura: Traducido del libro Rafael Pérez González Physics for Scientists and Engineers, Volume 2, 9th Edition. Editor: Raymond A. Serway; John Jewett, Jr. Sergio R. Cervantes González Publicado en inglés por Brooks/Cole, una compañía de Cengage Learning © 2014 Diseño de portada: ISBN: 978-1-133-95414-9 Roy Neuhaus Datos para catalogación bibliográfica: Imagen de portada: Serway, Raymond A.; John W. Jewett, Jr. © Ashley Cooper/Corbis Física para ciencias e ingeniería, Volumen 2 Composición tipográfica: Novena edición Ediciones OVA ISBN: 978-607-519-201-7 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14  Dedicamos este libro a nuestras esposas elizabeth y lisa, y a todos nuestros hijos y nietos, por su amorosa comprensión cuando pasamos tiempo escribiendo en lugar de estar con ellos.  Contenido breve P A R T E 4 37 38 Óptica ondulatoria 1134 Patrones de difracción y polarización 1160 Electricidad y magnetismo 689 P A R T E 6 23 Campos eléctricos 690 Física moderna 1191 24 Ley de Gauss 725 39 Relatividad 1192 25 Potencial eléctrico 746 40 Introducción a la física cuántica 1233 26 Capacitancia y materiales dieléctricos 777 41 Mecánica cuántica 1267 27 Corriente y resistencia 808 42 Física atómica 1296 28 Circuitos de corriente directa 833 43 Moléculas y sólidos 1340 29 Campos magnéticos 868 44 Estructura nuclear 1380 30 Fuentes del campo magnético 904 45 Aplicaciones de la física nuclear 1418 31 Ley de Faraday 935 46 Física de partículas y cosmología 1447 32 Inductancia 970 33 Circuitos de corriente alterna 998 34 Ondas electromagnéticas 1030 P A R T E 5 Luz y óptica 1057 35 Naturaleza de la luz y leyes de óptica geométrica 1058 36 Formación de las imágenes 1090 iv Contenido Acerca de los autores viii 25.7 Experimento de la gota de aceite de Millikan 764 Prefacio ix 25.8 Aplicaciones de la electrostática 765 Al estudiante xxv 26 Capacitancia y materiales dieléctricos 777 26.1 Definición de capacitancia 777 4 26.2 Cálculo de la capacitancia 779 26.3 Combinaciones de capacitores 782 P A R T E 26.4 Energía almacenada en un capacitor con carga 786 Electricidad y 26.5 26.6 26.7 Capacitores con material dieléctrico 790 Dipolo eléctrico en un campo eléctrico 793 Descripción atómica de los materiales dieléctricos 795 magnetismo 689 27 Corriente y resistencia 808 27.1 Corriente eléctrica 808 23 Campos eléctricos 690 27.2 Resistencia 811 23.1 Propiedades de las cargas eléctricas 690 27.3 Modelo de conducción eléctrica 816 23.2 Objetos cargados mediante inducción 692 27.4 Resistencia y temperatura 819 23.3 Ley de Coulomb 694 27.5 Superconductores 819 23.4 Análisis de modelo: partícula en un 27.6 Potencia eléctrica 820 campo (eléctrico) 699 23.5 Campo eléctrico de una distribución 28 Circuitos de corriente directa 833 de carga continua 704 28.1 Fuerza electromotriz 833 23.6 Líneas de campo eléctrico 708 28.2 Resistores en serie y en paralelo 836 23.7 Movimiento de partículas cargadas en 28.3 Leyes de Kirchhoff 843 un campo eléctrico uniforme 710 28.4 Circuitos RC 846 28.5 Cableado doméstico y seguridad eléctrica 852 24 Ley de Gauss 725 29 Campos magnéticos 868 24.1 Flujo eléctrico 725 29.1 Análisis de modelo: partícula en un campo (magnético) 869 24.2 Ley de Gauss 728 29.2 Movimiento de una partícula cargada en un campo 24.3 Aplicación de la ley de Gauss a varias magnético uniforme 874 distribuciones de carga 731 29.3 Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas 24.4 Conductores en equilibrio electrostático 735 en un campo magnético 879 29.4 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que 25 Potencial eléctrico 746 transporta corriente 882 25.1 Diferencia de potencial y potencial eléctrico 746 29.5 Momento de torsión sobre una espira de corriente en un 25.2 Diferencia de potencial en un campo campo magnético uniforme 885 eléctrico uniforme 748 29.6 El efecto Hall 890 25.3 Potencial eléctrico y energía potencial debidos a cargas puntuales 752 30 Fuentes del campo magnético 904 25.4 Obtención del valor del campo eléctrico 30.1 Ley de Biot-Savart 904 a partir del potencial eléctrico 755 30.2 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 909 25.5 Potencial eléctrico debido a distribuciones 30.3 Ley de Ampère 911 de carga continuas 756 30.4 Campo magnético de un solenoide 915 25.6 Potencial eléctrico debido a un 30.5 Ley de Gauss en el magnetismo 916 conductor con carga 761 30.6 Magnetismo en la materia 919 v vi Contenido 31 Ley de Faraday 935 36 Formación de las imágenes 1090 31.1 Ley de inducción de Faraday 935 36.1 Imágenes formadas por espejos planos 1090 31.2 Fem de movimiento 939 36.2 Imágenes formadas por espejos esféricos 1093 31.3 Ley de Lenz 944 36.3 Imágenes formadas por refracción 1100 31.4 Fem inducida y campos eléctricos 947 36.4 Imágenes formadas por lentes delgadas 1104 31.5 Generadores y motores 949 36.5 Aberraciones de las lentes 1112 31.6 Corrientes de Eddy 953 36.6 La cámara fotográfica 1113 36.7 El ojo 1115 32 Inductancia 970 36.8 La lupa simple 1118 32.1 Autoinducción e inductancia 970 36.9 El microscopio compuesto 1119 32.2 Circuitos RL 972 36.10 El telescopio 1120 32.3 Energía en un campo magnético 976 32.4 Inductancia mutua 978 37 Óptica ondulatoria 1134 32.5 Oscilaciones en un circuito LC 980 37.1 Experimento de doble rendija de Young 1134 32.6 Circuito R LC 984 37.2 Análisis de modelo: ondas en interferencia 1137 37.3 Distribución de intensidad del patrón de interferencia 33 Circuitos de corriente alterna 998 de doble rendija 1140 33.1 Fuentes de CA 998 37.4 Cambio de fase debido a reflexión 1143 33.2 Resistores en un circuito de CA 999 37.5 Interferencia en películas delgadas 1144 33.3 Inductores en un circuito de CA 1002 37.6 El interferómetro de Michelson 1147 33.4 Capacitores en un circuito de CA 1004 33.5 Circuito RLC en serie 1007 38 Patrones de difracción y polarización 1160 33.6 Potencia en un circuito de CA 1011 38.1 Introducción a los patrones de difracción 1160 33.7 Resonancia en un circuito RLC en serie 1013 38.2 Patrones de difracción provenientes de rendijas 33.8 El transformador y la transmisión de energía 1015 angostas 1161 33.9 Rectificadores y filtros 1018 38.3 Resolución de una sola rendija y aberturas circulares 1166 38.4 Rejilla de difracción 1169 34 Ondas electromagnéticas 1030 38.5 Difracción de los rayos X mediante cristales 1174 34.1 Corriente de desplazamiento y la forma general 38.6 Polarización de las ondas luminosas 1175 de la ley de Ampère 1031 34.2 Ecuaciones de Maxwell y los descubrimientos de Hertz 1033 34.3 Ondas electromagnéticas planas 1035 34.4 Energía transportada por ondas electromagnéticas 1039 P A R T E 6 34.5 Cantidad de movimiento y presión de radiación 1042 34.6 Producción de ondas electromagnéticas por Física moderna 1191 una antena 1044 34.7 El espectro de las ondas electromagnéticas 1045 39 Relatividad 1192 39.1 Principio de la relatividad galileano 1193 39.2 Experimento de Michelson–Morley 1196 P A R T E 5 39.3 39.4 39.5 Principio de la relatividad de Einstein 1198 Consecuencias de la teoría especial de la relatividad 1199 Ecuaciones de transformación de Lorentz 1210 Luz y óptica 1057 39.6 39.7 Ecuaciones de transformación de velocidad de Lorentz 1212 Cantidad de movimiento lineal relativista 1214 39.8 Energía relativista 1216 35 Naturaleza de la luz y leyes de óptica 39.9 Teoría general de la relatividad 1220 geométrica 1058 35.1 Naturaleza de la luz 1058 40 Introducción a la física cuántica 1233 35.2 Mediciones de la rapidez de la luz 1059 40.1 Radiación de cuerpo negro e hipótesis de Planck 1234 35.3 Aproximación de un rayo en óptica geométrica 1061 40.2 Efecto fotoeléctrico 1240 35.4 Análisis de modelo: la onda bajo reflexión 1061 40.3 Efecto Compton 1246 35.5 Análisis de modelo: la onda bajo refracción 1065 40.4 Naturaleza de las ondas electromagnéticas 1249 35.6 Principio de Huygens 1071 40.5 Propiedades ondulatorias de las partículas 1249 35.7 Dispersión 1072 40.6 Un nuevo modelo: la partícula cuántica 1252 35.8 Reflexión interna total 1074 40.7 Revisión del experimento de doble rejilla 1255 40.8 El principio de incertidumbre 1256  Contenido vii 41 Mecánica cuántica 1267 46 Física de partículas y cosmología 1447 41.1 La función de onda 1267 46.1 Fuerzas fundamentales en la naturaleza 1448 41.2 Análisis de modelo: la partícula cuántica 46.2 Positrones y otras antipartículas 1449 bajo condiciones frontera 1271 46.3 Mesones y el principio de la física de partículas 1451 41.3 La ecuación de Schrödinger 1277 46.4 Clasificación de las partículas 1454 41.4 Una partícula en un pozo de altura finita 1279 46.5 Leyes de conservación 1455 41.5 Efecto túnel a través de una barrera de energía 46.6 Partículas extrañas y extrañeza 1459 potencial 1281 46.7 Determinación de patrones en las partículas 1460 41.6 Aplicaciones del efecto túnel 1282 46.8 Quarks 1462 41.7 El oscilador armónico simple 1286 46.9 Quarks multicolor 1465 46.10 El modelo estándar 1467 42 Física atómica 1296 46.11 La conexión cósmica 1469 42.1 Espectros atómicos de los gases 1297 46.12 Problemas y perspectivas 1474 42.2 Los primeros modelos del átomo 1299 42.3 42.4 Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno 1300 Modelo cuántico del átomo de hidrógeno 1306 Apéndices 42.5 Las funciones de onda para el hidrógeno 1308 42.6 Interpretación física de los números cuánticos 1311 A Tablas A-1 42.7 El principio de exclusión y la tabla periódica 1318 A.1 Factores de conversión A-1 42.8 Más sobre los espectros atómicos: el visible y el rayo X 1322 A.2 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-2 42.9 Transiciones espontáneas y estimuladas 1325 42.10 Láseres 1326 B Repaso matemático A-4 B.1 Notación científica A-4 43 Moléculas y sólidos 1340 B.2 Álgebra A-5 43.1 Enlaces moleculares 1341 B.3 Geometría A-10 43.2 Estados de energía y espectros de moléculas 1344 B.4 Trigonometría A-11 43.3 Enlaces en sólidos 1352 B.5 Desarrollo de series A-13 43.4 Teoría de electrones libres en metales 1355 B.6 Cálculo diferencial A-13 43.5 Teoría de banda en sólidos 1359 B.7 Cálculo integral A-16 43.6 Conducción eléctrica en metales, aislantes y B.8 Propagación de incertidumbre A-20 semiconductores 1361 C Tabla periódica de los elementos A-22 43.7 Dispositivos semiconductores 1364 43.8 Superconductividad 1370 D Unidades del SI A-24 D.1 Unidades del SI A-24 44 Estructura nuclear 1380 D.2 Algunas unidades del SI deducibles A-24 44.1 Algunas propiedades de los núcleos 1381 Respuestas a exámenes rápidos y problemas 44.2 Energía de enlace nuclear 1386 44.3 Modelos nucleares 1387 con numeración impar A-25 44.4 Radiactividad 1390 Índice I-1 44.5 Los procesos de decaimiento 1394 44.6 Radiactividad natural 1404 44.7 Reacciones nucleares 1405 44.8 Resonancia magnética nuclear y formación de imágenes por resonancia magnética 1406 45 Aplicaciones de la física nuclear 1418 45.1 Interacciones donde intervienen neutrones 1418 45.2 Fisión nuclear 1419 45.3 Reactores nucleares 1421 45.4 Fusión nuclear 1425 45.5 Daño por radiación 1432 45.6 Usos de la radiación 1434  Acerca de los autores Raymond A. Serway recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology y es profesor emérito en la James Madison University. En 2011 fue galardonado con un doctorado honorario por parte de su alma mater, Utica College. En 1990 recibió el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseñó durante 17 años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde dirigió investigaciones y enseñó de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich, Suiza, trabajó con K. Alex Müller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboró con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además, el doctor Serway es coautor de College Physics, novena edición; Principles of Physics, quinta edición; Essentials of College Physics y Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics, publicado por Holt, Rinehart y Winston. Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 60 conferencias en reuniones profesionales. El doctor Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, pescar, acampar cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de calidad con sus cuatro hijos y diez nietos, y recientemente, otro grandioso nieto. John W. Jewett, Jr. obtuvo su licenciatura en Física en la Drexel University y su doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseñó de 1974 a 1984. En la actualidad es profesor emérito de física en la California State Polytechnic University, en Pomona. A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo promo- tor de la educación en ciencias físicas. Además de recibir cuatro becas National Science Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern Physics Ins- titute (SCAMPI) y el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and Creative Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar currícula efectiva en ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en el Richard Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California State Poly- thecnic University de 1991-1992 y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Association of Physics Teachers (AAPT) en 1998. Ha impartido más de 100 conferencias en reuniones profesionales, incluidas conferen- cias en la AAPT. También ha publicado 25 artículos sobre física de la materia condensada e investigaciones en la enseñanza de la física. Además es autor de The World of Physics: Mysteries, Magic and Myth, el cual proporciona un gran número de conexiones entre la física y las experiencias cotidianas. Aparte de su trabajo en este libro, es coautor de Principles of Physics, quinta edición, así como de Global Issues, un conjunto de cuatro manuales de ciencia integral para educación secundaria. Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar, la fotografía submarina, las lenguas extranjeras y colec- cionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más importante, le gusta pasar el tiempo con su esposa, Lisa, sus hijos y nietos. viii Prefacio Al escribir esta novena edición de Física para ciencias e ingeniería, continuamos con nuestros esfuerzos por mejorar la claridad de la presentación e incluir nuevas carac- terísticas pedagógicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y enseñanza. Al retroalimentar las sugerencias de los usuarios de la octava edición, información obtenida de los alumnos y profesores que utilizan los suplementos digitales, así como de los revisores, hemos clarificado el texto para satisfacer mejor las necesidades de los estudiantes y profesores. Este libro está pensado para un curso introductorio de física para estudiantes que se especializan en ciencia o ingeniería. Todo el contenido del libro en su versión amplia podría cubrirse en un curso de tres semestres, pero es posible usar el mate- rial en secuencias más breves con la omisión de capítulos y subtemas seleccionados. Los antecedentes matemáticos ideales de los estudiantes que tomen este curso deben incluir un semestre de cálculo. Si esto no es posible, el estudiante debe inscribirse en un curso simultáneo de introducción al cálculo. Contenido El material en este libro cubre temas fundamentales de física clásica y proporciona una introducción a la física moderna. El libro se divide en seis partes. La Parte 1 (capí- tulos 1 a 14) se relaciona con los fundamentos de la mecánica newtoniana y la física de fluidos; la Parte 2 (capítulos 15 a 18) cubre oscilaciones, ondas mecánicas y sonido; la Parte 3 (capítulos 19 a 22) aborda el calor y la termodinámica. La Parte 4 (capítulos 23 a 34) trata la electricidad y el magnetismo; la Parte 5 (capítulos 35 a 38) cubre luz y óptica; la Parte 6 (capítulos 39 a 46) aborda la relatividad y la física moderna. Objetivos Este libro de introducción a la física tiene tres objetivos principales: proporcionar al estudiante una presentación clara y lógica de los conceptos básicos y principios de la física, fortalecer la comprensión de los conceptos y principios a través de un amplio rango de interesantes aplicaciones al mundo real y desarrollar habilidades para resolver problemas por medio de un enfoque efectivamente organizado. Para alcanzar estos objetivos hemos enfatizado en argumentos físicos sólidos y en una metodología para resolver problemas. Al mismo tiempo hemos intentado motivar al estudiante mediante ejemplos prácticos que demuestren el papel de la física en otras disciplinas, incluidas ingeniería, química y medicina. Cambios en la Novena edición Para preparar la novena edición de este texto se hicieron muchos cambios y mejo- ras. Algunas de las nuevas características se basan en nuestras experiencias y en las tendencias actuales en educación en ciencia. Otros cambios se incorporaron en res- puesta a comentarios y sugerencias ofrecidos por los usuarios de la octava edición y por revisores del manuscrito. Las características que se mencionan aquí representan los principales cambios en la novena edición. ix x Prefacio Integración mejorada del enfoque Análisis de modelos para resolver problemas. Los estu- diantes se enfrentan a cientos de problemas durante sus cursos de física. Un número relativamente pequeño de los principios fundamentales forman la base de estos pro- blemas. Cuando se enfrentan a un nuevo problema, el físico elabora un modelo del problema que se puede resolver de una manera sencilla mediante la identificación del principio fundamental que es aplicable en el problema. Por ejemplo, muchos de los problemas implican la conservación de la energía, la segunda ley de New- ton o ecuaciones cinemáticas. Debido a que el físico ha estudiado extensivamente estos principios y su aplicación extensiva, él o ella puede aplicar este conocimiento como un modelo para la solución de un problema nuevo. Aunque sería ideal para los estudiantes seguir este mismo proceso, la mayoría de ellos tienen dificultades para familiarizarse con toda la paleta de los principios fundamentales que están disponi- bles. Es más fácil para los estudiantes identificar una situación más que un principio fundamental. El enfoque Análisis de modelo que tratamos en esta revisión establece un conjunto estándar de las situaciones que aparecen en la mayoría de los problemas de la física. Estas situaciones se basan en una entidad en uno de los cuatro modelos de simplifi- cación: partícula, sistema, objeto rígido y onda. Una vez identificado el modelo de simplificación, el estudiante piensa acerca de lo que la entidad está haciendo o cómo interactúa con su entorno. Esto lo lleva a identificar un análisis de modelo particular para el problema. Por ejemplo, si un objeto cae, el objeto se reconoce como una par- tícula experimentando una aceleración debida a la gravedad que es constante. El estu- diante ha aprendido que el análisis de modelo de una partícula bajo la aceleración constante describe esta situación. Además, este modelo tiene un pequeño número de ecuaciones asociadas con él para su uso en los problemas de inicio, las ecuaciones cinemáticas presentadas en el capítulo 2. Por lo tanto, la comprensión de la situación ha dado lugar a un análisis de modelo, que a su vez se identifica con un número muy reducido de ecuaciones para comenzar el problema, en lugar de los miles de ecuaciones que los estudiantes ven en el texto. De esta manera, el uso de Análisis de modelo con- duce al estudiante a identificar el principio fundamental. A medida que el estudiante adquiere más experiencia, él o ella se inclinan menos en el enfoque de Análisis de modelo y comienzan a identificar directamente los principios fundamentales. Para integrar mejor el enfoque análisis de modelo para esta edición, los recua- dros Análisis de modelo descriptivo se han agregado al final de cualquier sección que introduce un nuevo análisis de modelo. Esta característica resume el análisis de modelo presentado en la sección y proporciona ejemplos de los tipos de problemas que un estudiante puede resolver utilizando el análisis de modelo. Estos recuadros funcionan como una “actualización” antes de que los estudiantes vean los Análisis de modelo utilizados en los ejemplos prácticos para una sección dada. Los ejemplos resueltos en el texto que utilizan los Análisis de modelo han sido señalados con un icono de AM para facilitar la referencia. Las soluciones de estos ejemplos integran el enfoque de análisis de modelo para la resolución de problemas. El enfoque se ve reforzado aún más en el resumen de fin de capítulo bajo el título Análisis de modelos para resolver problemas. Cambios capítulo por capítulo La siguiente lista destaca los principales cambios en la Novena edición. Capítulo 23 Se ha introducido un nuevo análisis de modelo: Partícula en un campo (eléctrico). Este modelo se sigue de la introducción de la partícula en un campo (gravitacio- nal), modelo presentado en el capítulo 13. En la sección 23.4 se ha añadido un recuadro Análisis de modelo descriptivo. Además, ha sido añadida una nueva sección de resumen al final del capítulo y se ha revisado el material del texto para hacer referencia al nuevo modelo.  Prefacio xi Un nuevo ¿Qué pasaría si? se ha añadido al ejemplo 23.9, a fin de establecer una conexión con planos infinitos de carga, que se estudiarán con más detalle en los capítulos posteriores. Se han revisado varias secciones del texto y ejemplos prácticos para hacer referen- cias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 24 La sección 24.1 se ha revisado significativamente para clarificar la geometría de los elementos de la zona por donde pasan las líneas de campo eléctrico para generar un flujo eléctrico. Se han agregado dos figuras nuevas al ejemplo 24.5 para explorar más los campos eléctricos debidos a planos infinitos de carga individuales y apareados. Capítulo 25 Las secciones 25.1 y 25.2 se han revisado significativamente para conectar a la nueva partícula en un campo para el análisis de modelos introducidos en los capí- tulos 13 y 23. El ejemplo 25.4 ha sido movido, así que aparece después de la Estrategia para resolver problemas en la sección 25.5, lo que permite a los estudiantes comparar campos eléc- tricos debido a un pequeño número de cargas y a una distribución de carga continua. Capítulo 26 El análisis de los capacitores en serie y en paralelo de la sección 26.3 se ha revisado para mayor claridad. El análisis de la energía potencial asociada con un dipolo eléctrico en un campo eléctrico de la sección 26.6 se ha revisado para mayor claridad. Capítulo 27 La discusión sobre el modelo de Drude para la conducción eléctrica en la sección 27.3 se ha revisado para seguir el contorno de los modelos estructurales introduci- dos en el capítulo 21. Varias secciones de texto se han revisado para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 28 El análisis de las resistencias en serie y en paralelo de la sección 28.2 se ha revisado para mayor claridad. La carga, la corriente y el voltaje variables en el tiempo están representados con letras minúsculas para mayor claridad y para distinguirlos de los valores constantes. Capítulo 29 Se ha introducido un nuevo Análisis de modelo: Partícula en un campo (magnético). Éste sigue al modelo de introducción de la partícula en un campo (gravitacional) presentado en el capítulo 13 y al modelo de la partícula en un campo (eléctrico) estudiado en el capítulo 23. Se ha añadido en la sección 29.1 un recuadro de Análi- sis de modelo descriptivo. Además, un nuevo resumen ha sido agregado al final del capítulo y se ha revisado el material del texto para hacer referencia al nuevo modelo. Capítulo 30 Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 31 Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. xii Prefacio Capítulo 32 Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. La carga, la corriente y el voltaje variables en el tiempo están representados con letras minúsculas para mayor claridad y para distinguirlos de los valores constantes. Capítulo 33 En muchas figuras se han revisado los colores de los fasores para mejorar la clari- dad de la presentación. Capítulo 34 Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. El estado de las naves espaciales relacionado con la vela solar se ha actualizado en la sección 34.5. Capítulo 35 Se han añadido dos nuevos recuadros de análisis de modelo descriptivo en las sec- ciones 35.4 y 35.5. Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 36 Se ha actualizado la discusión del telescopio Keck en la sección 36.10 y se ha incluido una nueva figura, representando por primera vez la imagen óptica directa de un sistema solar más allá del nuestro. Capítulo 37 Se ha añadido un nuevo recuadro de Análisis de modelo descriptivo en la sección 37.2. Se ha actualizado el análisis del Observatorio Interferómetro Láser de Ondas Gra- vitatorias (LIGO) en la sección 37.6. Capítulo 39 Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Las secciones 39.8 y 39.9 de la octava edición se han combinado en una sola sección. Capítulo 40 Se ha revisado el Análisis de modelo de Planck para la radiación de cuerpos negros en la sección 40.1, para seguir el contorno de los modelos estructurales introducidos en el capítulo 21. Se ha revisado el Análisis de modelo de Einstein para el efecto fotoeléctrico en la sección 40.2, para seguir el contorno de los modelos estructurales introducidos en el capítulo 21. Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 41 Se ha añadido un nuevo recuadro de Análisis de modelo descriptivo en la sección 41.2. Capítulo 42 Se ha revisado el Análisis de modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno en la sec- ción 42.3, para seguir el contorno de los modelos estructurales introducidos en el capítulo 21. En la sección 42.7 la tendencia de los sistemas atómicos a caer a su nivel más bajo de energía está relacionada con la nueva discusión de la segunda ley de la termodi- námica que aparece en el capítulo 22.  Prefacio xiii Se ha actualizado el análisis de la aplicación de los láseres en la sección 42.10 para incluir láseres de diodos, de bióxido de carbono y excímeros. Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 43 Se ha añadido a la sección 43.2 un nuevo análisis de la contribución de las molécu- las de bióxido de carbono en la atmósfera al calentamiento global. Se ha agregado una figura nueva que muestra el incremento de la concentración de bióxido de carbono en las décadas pasadas. Se ha añadido a la sección 43.4 nuevo análisis sobre el grafeno y sus propiedades (Premio Nobel de Física en 2010). Se ha actualizado la discusión sobre plantas de energía fotovoltaica en el mundo en la sección 43.7. Se ha actualizado el análisis sobre la densidad de los transistores en microchips en la sección 43.7. Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 44 Se añadieron datos sobre el átomo de helio-4 a la tabla 44.1. Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Capítulo 45 Se ha añadido a la sección 45.3 la discusión sobre el desastre nuclear posterior al terremoto y al tsunami de Japón en marzo de 2011. Se ha actualizado el análisis del Reactor Termonuclear Experimental Internacio- nal (ITER). Se ha actualizado el análisis de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en la sec- ción 45.4. La discusión de la dosis de radiación en la sección 45.5 se ha expresado en térmi- nos de las unidades SI: gray y sievert. Se eliminó la sección 45.6 que aparecía en la edición anterior. Capítulo 46 Se ha añadido a la sección 46.9 una discusión del proyecto ALICE (A Large Ion Collider Experiment) en busca de un plasma de quarks y gluones en el Gran Coli- sionador de Hadrones (LHC). Se ha añadido a la sección 46.10 una discusión del anuncio de julio de 2012 sobre el descubrimiento de una partícula como la de Higgs a partir de los proyectos ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) y de la CMS (Compact Muon Solenoid) en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Se ha añadido a la sección 46.10 una discusión de los cierres de los colisionadores, debido al inicio de las operaciones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Una discusión de las misiones recientes y la nueva misión Planck para estudiar la radiación cósmica de fondo se ha añadido a la sección 46.11. Se han revisado varias secciones del texto para hacer referencias más explícitas a los análisis de modelos. Características del texto La mayoría de los instructores cree que el libro seleccionado para un curso debe ser la principal guía del estudiante para entender y aprender la materia de estudio. Ade- más, el libro debe tener un estilo accesible y estar escrito para facilitar la instrucción y el aprendizaje. Con estos puntos en mente hemos incluido muchas características pedagógicas que se mencionan a continuación y tienen la intención de mejorar su utilidad tanto a estudiantes como a instructores. xiv Prefacio Resolución de problemas y comprensión conceptual Estrategia general para resolver problemas. Al final del capítulo 2 (páginas 45–47) se perfila una estrategia general a seguir por los estudiantes que les proporciona un proceso estructurado para resolver problemas. En los capítulos restantes la estrate- gia se emplea explícitamente en cada ejemplo, de modo que los estudiantes apren- den cómo se aplica y son animados a seguir esta estrategia cuando trabajan con los problemas de final de capítulo. Ejemplos resueltos. Todos los ejemplos en el texto se presentan en un formato de dos columnas para reforzar mejor los conceptos físicos. La columna izquierda muestra información textual que describe las etapas para resolver el problema. La columna derecha muestra las operaciones matemáticas y los resultados de seguir dichos pasos. Esta presentación facilita la concordancia del concepto con su ejecución matemática y ayuda a los estudiantes a organizar su trabajo. Dichos ejemplos reconstituidos siguen de cerca una Estrategia General para Resolver Problemas que se introduce en el capítulo 2 para reforzar hábitos efectivos para resolver problemas. En la página siguiente encontrará una muestra de un ejemplo resuelto. Los ejemplos son de dos tipos. El primer tipo de ejemplo (y el más común) pre- senta un problema y respuesta numérica. El segundo tipo de ejemplo es conceptual en naturaleza. Para dar énfasis a la comprensión de los conceptos físicos, los muchos ejemplos conceptuales se etiquetan como tales, se ponen en recuadros y están dise- ñados para enfocar a los estudiantes en la situación física del problema. Los ejem- plos resueltos en el texto que utilizan los análisis de modelos han sido señalados con un icono de AM para facilitar su consulta y las soluciones de estos ejemplos ya inte- gran más a fondo el enfoque de análisis de modelo para la resolución de problemas. Con base en la retroalimentación de los revisores de la Octava edición, hemos hecho revisiones cuidadosas para los ejemplos resueltos de manera que las soluciones se presentan simbólicamente, en la medida de lo posible, con los valores numéricos sustituidos al final. Este enfoque ayudará a los estudiantes a pensar simbólicamente cuando resuelven problemas en lugar de la inserción innecesaria de números en ecuaciones intermedias. ¿Qué pasaría si? Aproximadamente un tercio de los ejemplos del texto contienen una condicional ¿Qué pasaría si? Al completar la solución del ejemplo, una pregunta ¿Qué pasaría si? ofrece una variación en la situación planteada en el texto del ejem- plo. Esta característica alienta a los estudiantes a pensar acerca de los resultados del ejemplo; también ayuda en la interpretación conceptual de los principios. Las preguntas ¿Qué pasaría si? también preparan a los estudiantes para encontrar pro- blemas novedosos que se presenten en los exámenes. Algunos de los problemas de fin de capítulo también incluyen esta característica. Exámenes rápidos. Los exámenes rápidos proporcionan a los estudiantes una opor- tunidad para poner a prueba su comprensión de los conceptos físicos presentados. Las preguntas piden a los estudiantes tomar decisiones de acuerdo a un razona- miento firme y algunas de las preguntas se escribieron para ayudar a los estudiantes a superar interpretaciones equívocas comunes. Los exámenes rápidos se presentan en un formato objetivo, que incluyen opción múltiple, verdadero–falso y de clasifi- cación. Las respuestas a todos los exámenes rápidos se encuentran al final del texto. Muchos instructores prefieren usar tales preguntas en un estilo de enseñanza de “instrucción por búsqueda” o con el uso de sistema de respuesta personal “clickers”, pero también se pueden usar en formato de examen estándar. Enseguida se muestra un ejemplo de examen rápido. E xamen rápido 7.5 Un dardo se carga en una pistola de resorte al comprimir a éste por una distancia x. En la segunda carga, al resorte se le comprime una distancia 2x. ¿Qué tan rápido, comparado con el primero, el segundo dardo abandona la pistola? (a) Cuatro veces más, (b) dos veces más, (c) igual, (d) la mitad, (e) la cuarta parte.  Prefacio xv Prevenciones de riesgos ocultos. Más de doscientas Prevenciones de riesgos ocultos se proporcionan para ayudar a los estudiantes a evitar errores y malas interpretaciones Prevención de riesgos ocultos 16.2 comunes. Estas características, que se colocan en los márgenes del texto, abordan Dos tipos de rapidez/velocidad No tanto malas interpretaciones estudiantiles comunes como situaciones en que los confunda v, la rapidez de la onda estudiantes con frecuencia siguen rutas improductivas. mientras se propaga a lo largo de la cuerda, con vy , la velocidad Resúmenes. Cada capítulo contiene un resumen que revisa los conceptos y ecuaciones transversal de un punto en la importantes explicadas en dicho capítulo. El resumen se divide en tres secciones: cuerda. La rapidez v es constante Definiciones, Conceptos y principios, y Análisis de modelos para resolver problemas. para un medio uniforme, mien- En cada sección, recuadros tipo ficha de estudio se enfocan en cada definición, con- tras que vy varía sinusoidalmente. cepto, principio o análisis del modelo por separado. Ejemplo 3.2 Un viaje de vacaciones y (km) y (km) Un automóvil viaja 20.0 km al Norte y luego a 35.0 km N en una dirección 60.0° al noroeste, como se muestra en S 40 40 W E la figura 3.11a. Encuentre la magnitud y dirección del B S 60.0 S S R desplazamiento resultante del automóvil. A Cada solución se S u 20 20 reorganizó para SOLUCIÓN R b A S S b seguir de cerca la B S S Estrategia Gene- Conceptualizar Los vectores A y B dibujados en la x (km) x (km) 20 0 20 0 ral para Resolver figura 3.11a ayudan a conceptualizar el problema. S Tam- a b Problemas que se bién se ha dibujado el vector resultante R. Esperamos que su magnitud sea de unas pocas decenas de kilóme- resalta en las pági- Figura 3.11 (Ejemplo 3.2) (a)S Método gráfico para encontrar el vector nas 45–47 del capí- tros. El ángulo b que hace que el vector resultante con S S de desplazamiento resultante R 5 A 1 B. (b) Sumando los vectores en S S S tulo 2, para refor- se espera que sea menos de 60°, el ángulo que el el eje y S orden inverso 1 B 1 A 2 da el mismo resultado para R vector B hace con el eje y. zar buenos hábitos en la solución de Categorizar S Este ejemplo se puede clasificar como un simple problema de análisis S S acerca de suma vectorial. El desplazamien- problemas. to R es la resultante cuando se suman los dos desplazamientos individuales A y B. Además, se puede clasificar como un pro- blema acerca del análisis de triángulos, así que se acude a la experiencia en geometría y trigonometría. Analizar En este ejemplo se muestran dos formas para analizar el problema de encontrar la resultante de dos vectores. La pri- Cada paso de la mera S es resolver el problema mediante la geometría, con el uso de papel graficado y un transportador para medir la magnitud de R y su dirección en la figura 3.11a. (De hecho, aun cuando sepa que va a realizar un cálculo, debe bosquejar los vectores solución se detalla para comprobar sus resultados.) Con una regla y transportador ordinarios, típicamente un buen diagrama da respuestas con en un formato de S dos dígitos pero no con una precisión de tres dígitos. ¡Intente usar estas herramientas en R en la figura 3.11a y compare con el dos columnas. La análisis trigonométrico que se muestra a continuación! S columna izquierda La segunda forma de resolver el problema es analizarlo con álgebra. La magnitud de R se obtiene a partir de la ley de cose- proporciona una nos, tal como se aplica al triángulo en la figura 3.11a (véase el Apéndice B.4). explicación para Aplique R 2 A 2 B2 2AB cos u de la ley de cosenos para R 5 "A2 1 B 2 2 2AB cos u cada paso matemá- encontrar R: tico de la columna derecha, para Sustituya valores numéricos y note que u 180° 60° R 5 " 1 20.0 km 2 2 1 1 35.0 km 2 2 2 2 1 20.0 km 2 1 35.0 km 2 cos 1208 reforzar mejor los 120°: conceptos físicos. 5 48.2 km Aplique la leySde senos (Apéndice B.4) para encontrar la sin bb sin sen senuu dirección de R medida desde la dirección norte: 5 B R B 35.0 km sin b 5 sen sen sin u 5 sin 1208 5 0.629 sen R 48.2 km b 5 38.9° El desplazamiento resultante del automóvil es 48.2 km, con una dirección de 38.9° al noroeste. Finalizar ¿El ángulo b que se calculó, concuerda con una sonas encuentran abrumador el uso de las leyes de cose- estimación realizada al observar la figura 3.11a o con un nos y senos. Segunda, sólo resulta un triángulo si suma dos ángulo real medido del diagrama con el uso delSmétodo de vectores. Si suma tres o más vectores, la forma geométrica la poligonal? ¿Es razonable que la magnitud de R sea mayor resultante no es un triángulo. En la sección 3.4 se explora S S S que la de A y B ? ¿Las unidades de R son correctas? un nuevo método para sumar vectores que abordará estas Aunque el método de la poligonal para sumar vectores dos desventajas. funciona bien, tiene dos desventajas. Primera, algunas per- ¿Q U É PA S A R Í A S I ? Suponga que el viaje se realiza considerando los dos vectores en orden inverso: 35.0 km con dirección 60.0° al noroeste primero y después 20.0 km al Norte. ¿Cómo cambiarían la magnitud y dirección del vector resultante? Respuesta No cambiarían. La ley conmutativa para la suma vectorial dice que el orden de los vectores en una suma es irre- levante. Gráficamente, la figura 3.11b muestra que los vectores sumados en orden inverso proporcionan el mismo vector resultante. xvi Prefacio Preguntas y problemas. Para la Novena edició, los autores revisaron cada una de las preguntas y problemas e incorporaron revisiones diseñadas para mejorar su claridad y calidad. Cerca de 10% de las preguntas y problemas son nuevos en esta edición. Preguntas. La sección de preguntas está a su vez dividida en dos secciones: Preguntas objetivas y Preguntas conceptuales. El instructor puede seleccionar entre ellas para asig- nar tareas en casa o en el salón de clase, posiblemente con métodos de “discusión por parejas de alumnos”. En esta edición se incluyen más de novecientas preguntas objetivas y conceptuales. Las respuestas a preguntas seleccionadas se incluyen en el Manual de soluciones del estudiante/Guía de estudio (a la venta únicamente en inglés) y las respuestas a todas las preguntas se encuentran en el Manual de soluciones del instructor. Preguntas objetivas: son preguntas de tipo opción múltiple, verdadero-falso, clasifica- ción o cualquier otro. Algunas requieren cálculos diseñados para facilitar la fami- liaridad de los estudiantes con las ecuaciones, las variables utilizadas, los conceptos que las variables representan y las relaciones entre los conceptos. Otras son más con- ceptuales en su naturaleza y están diseñadas para estimular el pensamiento conceptual. Las preguntas objetivas también se escriben con el usuario del sistema de respuesta personal en mente y la mayoría de las preguntas pueden ser fácilmente utilizadas en estos sistemas. Preguntas conceptuales: son preguntas más tradicionales de respuesta corta y de tipo ensayo que requieren que los estudiantes piensen conceptualmente sobre una situa- ción física. Problemas. Al final de cada capítulo se incluye un extenso conjunto de problemas; en total, el texto contiene aproximadamente 3 700 problemas. Las respuestas a los problemas con número impar se proporcionan al final del libro. Las soluciones com- pletas de aproximadamente un 20% de los problemas se incluyen en el Manual de soluciones del estudiante/Guía de estudio (a la venta únicamente en inglés) y las respues- tas a todas las preguntas se encuentran en el Manual de soluciones del instructor. Los problemas de fin de capítulo están organizados por secciones (casi dos ter- cios de los problemas tienen claves referentes a secciones específicas del capítulo). Dentro de cada sección, los problemas ahora son la “plataforma” de los estudiantes para un pensamiento de orden superior mediante la presentación de todos los pro- blemas sencillos de la primera sección, seguido de los problemas intermedios. (La numeración para problemas sencillos se imprime en negro, para problemas de nivel intermedio en azul). La sección de problemas adicionales contiene problemas que no se amoldan a la sección específica. Al final de cada capítulo está la sección de Problemas de desafío que reúne los problemas de mayor dificultad de algún lugar en un capítulo dado (los problemas de este tipo están marcados en rojo). Problemas cuantitativos/conceptuales: contienen partes que piden a los estudiantes pen- sar tanto cuantitativa como conceptualmente. A continuación se muestra un ejem- plo de este tipo de problemas: 59. Un resorte horizontal unido a una pared tiene una cons- tante de fuerza k 5 850 N/m. Un bloque de masa m 5 1.00 kg se une al resorte y descansa sobre una superficie hori- k zontal sin fricción, como en la figura P8.59. (a) El bloque m se jala a una posición xi 5 6.00 cm desde la posición de equilibrio y se suelta. Encuentre la energía potencial elás- tica almacenada en el resorte cuando el bloque está a 6.00 x0 x  xi /2 x  xi Los incisos (a)–(c) requieren cm de la posición de equilibrio y cuando el bloque pasa cálculos cuantitativos. por la posición de equilibrio. (b) Encuentre la rapidez del Figura P8.59 bloque cuando pasa por el punto de equilibrio. (c) ¿Cuál es la rapidez del bloque cuando está en una posición xi/2 5 El inciso (d) es una pregunta 3.00 cm? (d) ¿Por qué la respuesta al inciso (c) no es la mitad de la respuesta del inciso (b). conceptual acerca de la situación del problema.  Prefacio xvii Problemas simbólicos: piden a los estudiantes resolver un problema usando sólo mani- pulación simbólica. Los revisores de la Octava edición (así como la mayoría de los que respondieron a una numerosa encuesta) pidieron específicamente un aumento en el número de problemas simbólicos que se encuentran en el texto, ya que refleja mejor la forma en que los instructores quieren que sus estudiantes piensen en la resolución de problemas de física. Un ejemplo de problema simbólico aparece aquí: 51. Un camión se mueve S a con aceleración cons- tante a hasta una colina No aparecen números que hace un ángulo f u con la horizontal, como m en el enunciado del en la figura P6.51. Una problema pequeña esfera de masa La figura muestra sólo m está suspendida desde f cantidades simbólicas el techo de la camioneta Figura P6.51 por un cable de luz. Si el péndulo hace un ángulo constante u con la perpendicular al techo, ¿a qué es igual a? La respuesta al problema es completamente simbólica 51. g(cos f tan u 2 sen f) Problemas guiados: ayudan a los estudiantes a desglosar los problemas en pasos. Un problema de física normalmente pide una cantidad física en un contexto dado. Sin embargo, con frecuencia deben ser utilizados varios conceptos y se requieren una serie de cálculos para obtener la respuesta final. Muchos estudiantes no están acos- tumbrados a este nivel de complejidad y a menudo no saben por dónde empezar. Un problema guiado desglosa un problema estándar en pasos más pequeños, lo que per- mite a los estudiantes comprender los conceptos y estrategias necesarias para llegar a una solución correcta. A diferencia de los problemas estándar de física, la orienta- ción se construye a menudo en el enunciado del problema. Los problemas guiados son una reminiscencia de cómo un estudiante puede interactuar con un profesor en una visita para asesoría. Estos problemas (hay uno en cada capítulo del texto) ayu- dan a la capacitación de los estudiantes para descomponer los problemas complejos en una serie de problemas más simples, una habilidad esencial para resolver proble- mas. Un ejemplo de problema guiado aparece aquí: 38. Una viga uniforme que descansa sobre dos pivotes tiene una longitud L 5 6.00 m y una masa M 5 90.0 kg. El pivote bajo el extremo izquierdo ejerce una fuerza normal n1 sobre la viga, y el segundo pivote ubicado a una distan- cia , 5 4.00 m del extremo izquierdo ejerce una fuerza normal n 2. Una mujer de masa m 5 55.0 kg se para en el extremo izquierdo de la viga y comienza a caminar hacia El objetivo del problema la derecha, como se indica en la figura P12.38. El obje- está identificado tivo es encontrar la posición de la mujer cuando la viga se empieza a inclinar. (a) ¿Cuál es el análisis de modelo apropiado para la viga antes que se incline? (b) Dibuje un diagrama de cuerpo libre para la viga, marque las fuerzas El análisis comienza identificando gravitacionales y las normales que actúan sobre la viga y el análisis de modelo apropiado coloque a la mujer a una distancia x hacia la derecha del primer pivote, el cual es el origen. (c) ¿Dónde está la mujer cuando la fuerza normal n1 es máxima? (d) ¿Cuánto vale n1 cuando la viga está por inclinarse? (e) Utilice la ecua- ción 12.1 para encontrar el valor de n 2 cuando la viga está Al estudiante se le proporcionan a punto de inclinarse. (f) Empleando el resultado del inci- sugerencias de los pasos para so (d) y la ecuación 12.2, con los momentos de torsión calculados en torno al segundo pivote, determine la posi- resolver el problema ción x de la mujer cuando la viga tiende a inclinarse. (g) Ve- rifique la respuesta al inciso (a) mediante el cálculo de momentos de torsión alrededor del primer punto pivote. Se pide el cálculo L asociado al objetivo m x M Figura P12.38 xviii Prefacio Problemas de imposibilidad. La investigación en educación en física se ha centrado en gran medida en las habilidades de los estudiantes para la resolución de problemas. Aunque la mayoría de los problemas en este texto están estructurados en forma de suministro de datos y pedir el cálculo de un resultado, dos problemas por cada capítulo, en promedio, se estructuran como problemas de imposibilidad. Comien- zan con la frase ¿Por qué es imposible la siguiente situación? Esto es seguido por la des- cripción de una situación. El aspecto sorprendente de estos problemas es que no se hace una pregunta a los estudiantes, excepto la que apareces en cursivas al inicio. El estudiante debe determinar las preguntas que se tienen que hacer y qué cálculos se deben realizar. Con base en los resultados de estos cálculos, el estudiante debe determinar por qué la situación descrita no es posible. Esta determinación puede requerir información de la experiencia personal, sentido común, de Internet o de in- vestigación impresa, la medición, las habilidades matemáticas, el conocimiento de las normas humanas o el pensamiento científico. Estos problemas se pueden asignar para desarrollar habilidades de pensamiento crítico en los estudiantes. También son divertidos, tienen el aspecto de “misterios” de la física que hay que resolver por parte de los alumnos de forma individual o en grupos. Un ejemplo de problema de impo- sibilidad aparece aquí: La frase inicial en cursivas indica un problema de imposibilidad 67. ¿Por qué es imposible la siguiente situación? Albert Pujols hace Se describe una un jonrón, de tal forma que la pelota libra la fila supe- situación rior de las gradas, de 24.0 m de altura, situada a 130 m de la base de home. La bola es golpeada a 41.7 m/s en un ángulo de 35.0° con la horizontal, y la resistencia del aire es despreciable. No se formulan preguntas. El estudiante debe determinar qué necesita para los cálculos y por qué la situación es imposible. Problemas apareados. Estos problemas son idénticos, uno pidiendo una solución numé- rica y otro una deducción simbólica. Ahora hay tres pares de estos problemas en la mayoría de los capítulos, en los problemas de fin de capítulo. Problemas biomédicos. Estos problemas destacan la importancia de los principios de la física para aquellos estudiantes que toman este curso, que se especializa en una de las ciencias de la vida. Problemas de repaso. Muchos capítulos incluyen problemas de repaso que requieren que el estudiante combine conceptos cubiertos en el capítulo con los que se explica- ron en capítulos anteriores. Estos problemas (indicados como problemas de repaso) reflejan la naturaleza cohesiva de los principios en el texto y verifican que la física no es un conjunto de ideas dispersas. Cuando se mira hacia temas del mundo real como el calentamiento global o las armas nucleares, puede ser necesario invocar ideas físi- cas de varias partes de un libro como éste. “Problemas Fermi”. En la mayoría de los capítulos se plantea al estudiante uno o más problemas donde debe razonar en términos de orden y magnitud. Problemas de diseño. Varios capítulos contienen problemas que le solicitan al estu- diante determinar parámetros de diseño para un dispositivo práctico, de modo que pueda funcionar como se requiere.  Prefacio xix Problemas basados en cálculo. Todos los capítulos contienen al menos un problema que aplica ideas y métodos del cálculo diferencial y un problema que usa cálculo integral. Ilustraciones. Cada ilustración en la Novena edición es de estilo moderno que ayuda a expresar los principios de la física en el trabajo de una manera clara y precisa. Se incluyen punteros de enfoque en muchas figuras del texto; éstos señalan aspectos importantes de una figura o guían a los estudiantes a través de un proceso ilustrado por la fotografía o las ilustraciones. Este formato ayuda a los estudiantes que están aprendiendo de forma más visual. Un ejemplo de figura con un puntero de enfoque aparece a continuación. Figura 4.2 A medida que una Conforme el punto final tiende a 훽, partícula se mueve entre dos pun- t tiende a cero y la dirección de tos, su velocidad promedio está en S r tiende a la de la recta tangente la dirección del vector desplaza- a la curva en 훽. miento. Por definición, la velo- cidad instantánea en 훽 se dirige y a lo largo de la recta tangente a la S Dirección de v en 훽 curva en 훽. 훽 S S S r1 r2 r3 훾 Conforme el extremo final de la trayectoria se mueve de 훾 a 훾 a 훾, 훾 los desplazamientos respectivos y los 훾 correspondientes intervalos de tiempo serán cada vez más pequeños. x O Apéndice matemático. El apéndice matemático (Apéndice B), una valiosa herra- mienta para los estudiantes, se actualizó para mostrar las herramientas matemáticas en un contexto físico. Este recurso es ideal para los estudiantes que necesitan un repaso rápido acerca de temas tales como álgebra, trigonometría y cálculo. Características útiles Estilo. Para facilitar la rápida comprensión, hemos escrito el libro en un estilo claro, lógico y atractivo. Elegimos un estilo de escritura que es un poco informal y relajado, de modo que los estudiantes encontrarán el texto atractivo y agradable para leer. Los nuevos términos se definen cuidadosamente y hemos evitado el uso de vocabu- lario especial. Definiciones y ecuaciones importantes. Las definiciones más importantes se ponen en negritas o se resaltan con una pantalla para agregar énfasis y facilitar la revisión. De igual modo, las ecuaciones importantes se resaltan con una pantalla para facili- tar su ubicación. Notas al margen. Los comentarios y notas que aparecen en el margen con un ico- no X se pueden usar para ubicar enunciados, ecuaciones y conceptos importantes en el texto. Uso pedagógico del color. Los lectores deben consultar la carta pedagógica de color (al final del libro) para una lista de los símbolos en color que se usan en los diagra- mas del texto. Este sistema se usa consistentemente en todas las partes del texto. xx Prefacio Nivel matemático. Introducimos el cálculo de manera gradual, teniendo en mente que los estudiantes con frecuencia toman cursos introductorios de cálculo y física simultáneamente. La mayoría de las etapas se muestra cuando se desarrollan ecua- ciones básicas, y con frecuencia se hace referencia a los apéndices matemáticos cerca del final del texto. Aunque los vectores son analizados en el capítulo 3, los productos vectoriales se introducen más adelante en el texto, donde se necesitan en aplicacio- nes físicas. El producto punto se introduce en el capítulo 7, que aborda la energía de un sistema; el producto cruz se introduce en el capítulo 11, que se relaciona con cantidad de movimiento angular. Cifras significativas. Las cifras significativas, tanto en los ejemplos trabajados como en los problemas de fin de capítulo, se manejaron con cuidado. La mayoría de los ejemplos numéricos se trabaja a dos o a tres cifras significativas, dependiendo de la precisión de los datos proporcionados. Los problemas de fin de capítulo por lo regular establecen datos y respuestas a tres dígitos de precisión. En la realización de los cálculos de estimación se suele trabajar con una sola cifra significativa. (Se puede encontrar más acerca del análisis de cifras significativas en el capítulo 1, páginas 11-13.) Unidades. A lo largo del texto se usa el sistema internacional de unidades (SI). El sis- tema estadounidense de unidades usuales sólo se usa en una medida limitada en los capítulos sobre mecánica y termodinámica. Apéndices. Casi al final del texto se proporcionan varios apéndices. La mayoría del material de los apéndices representa un repaso de conceptos y técnicas matemáticas aplicadas en el texto, incluidos notación científica, álgebra, geometría, trigonome- tría, cálculo diferencial y cálculo integral. En todas las partes del texto se hace refe- rencia a estos apéndices. La mayor parte de las secciones de repaso matemático en los apéndices incluyen ejemplos y ejercicios con respuestas. Además de los repasos matemáticos, los apéndices contienen tablas de datos físicos, factores de conversión y las unidades del SI de cantidades físicas, así como una tabla periódica de los ele- mentos. Otra información útil (constantes fundamentales y datos físicos, datos pla- netarios, una lista de prefijos estándar, símbolos matemáticos, el alfabeto griego y abreviaturas estándar de unidades de medición) aparecen al final del libro. Videos solución (disponibles en la sección de complementos digitales) explican las estrategias fundamentales de resolución de problemas, para ayudar a los estudian- tes a través del problema. Además, los profesores pueden optar por incluir pistas de video de las estrategias de resolución de problemas. Una pantalla de captura de película con el video de la solución aparece a continuación: Un proyectil es lanzado a un ángulo con la horizontal con alguna velo- cidad inicial vs y la resistencia del aire es despreciable. Los videos solución ayudan a los estu- (a) ¿El proyectil es un cuerpo en caída libre? diantes a visualizar los pasos necesa- (b) ¿Cuál es la aceleración en la dirección vertical? rios para resolver un problema. (c) ¿Cuál es la aceleración en la dirección? Trayectoria  Prefacio xxi Revisión de conceptos Ejemplos resueltos, mejorados con sugerencias y comentarios, para ayudar a los estudiantes a fortalecer las habilidades de resolución de problemas Cada examen rápido otorga a los estudiantes una amplia oportunidad para poner a prueba su comprensión conceptual. CengageBrain.com (sólo disponible en inglés y con un costo adicional) En CengageBrain.com los estudiantes serán capaces de ahorrar hasta un 60% en sus materiales del curso a través de nuestra completa gama de opciones. Tendrán la opción de rentar sus libros de texto, la compra de libros de texto impresos, libros de texto electrónicos o mensajes de los distintos capítulos y audiolibros, todos para ahorrar sustancialmente en los precios medios de venta al detalle. CengageBrain. com también incluye el acceso a la amplia gama de tareas y herramientas de estudio de Cengage Learning y cuenta con una selección de contenido libre. Recursos para presentaciones (sólo disponibles en inglés y con un costo adicional) Con PowerLecture con ExamView® y Joinin de Física para Ciencias e Ingeniería, Novena edición, llevar los principios y conceptos de la física a la vida en sus presentaciones ¡nunca fue tan fácil! Los dos volúmenes DVD-ROM de recursos PowerLecture para el instructor completamente equipados, (Volumen 1: capítulos 1-22, volumen 2: capí- tulos 23-46) ofrecen todo lo que usted necesita para Física para Ciencias e Ingeniería, Novena edición. El contenido clave incluye el Manual Soluciones del Instructor, las ilus- traciones y las imágenes del texto, presentaciones específicas de PowerPoint pre ela- boradas por capítulo, el software generador de exámenes ExamView con preguntas de examen precargadas, el sistema de respuesta Joinin o “clickers”, animaciones de figuras activas y una biblioteca de películas de física. Joinin. Evaluar para aprender en el aula son preguntas desarrolladas en la Universidad de Massachusetts Amherst. Esta colección de 250 preguntas conceptuales avanzadas ha sido probada en las aulas durante más de diez años y lleva el aprendizaje entre iguales a un nuevo nivel. Joinin ayuda a convertir sus conferencias en un ambiente de aprendizaje interactivo que promueve la comprensión conceptual. Disponible exclusivamente para la educación superior a partir de nuestra asociación con Tur- ning Technologies, Joinin™ es la manera más fácil de convertir el aula en una expe- riencia personal, ¡totalmente interactiva para sus estudiantes! Evaluación y recursos de preparación de clase (sólo disponibles en inglés y para los adopters del libro) Una serie de recursos que se enumeran a continuación le ayudará con su evaluación y los procesos de preparación. Manual de soluciones del instructor de Vahe Peroomian (Universidad de California en Los Angeles). Completamente revisado para esta edición, el Manual de soluciones del instructor contiene soluciones completas a todos los problemas de fin de capítulo del libro de texto, así como respuestas a los problemas de número par y a todas las pre- guntas. Las soluciones a los problemas nuevos en la novena edición están marcadas para su fácil identificación. El volumen 1 contiene los capítulos 1 a 22, el volumen 2 contiene los capítulos 23 a 46. Los archivos electrónicos del Manual de soluciones del instructor están disponibles en el PowerLecture™ DVD-ROM. Banco de exámenes por Ed Oberhofer (Universidad de Carolina del Norte en Char- lotte y Lake Sumter Community College). El banco de exámenes está disponible en los dos volúmenes del DVD-ROM PowerLecture™ mediante el software de exámenes ExamView ®. Este banco de dos volúmenes contiene aproximadamente 2 000 pregun- xxii Prefacio tas de opción múltiple. Los profesores pueden imprimir y duplicar las páginas para distribuir a los estudiantes. El volumen 1 contiene los capítulos 1 a 22 y el volumen 2 contiene los capítulos 23 a 46. Versiones WebCT y Blackboard del banco de exá- menes están disponibles en el sitio de acompañamiento para el instructor en www. CengageBrain.com. Instructor’s Companion Web Site. Consulte el sitio del instructor, apuntando su navega- dor a www.CengageBrain.com, para una guía de correlación de problemas, presen- taciones en PowerPoint, y Joinin contenido de respuesta del público. Los profesores que adoptan la Novena edición de Física para Ciencias e Ingeniería pueden descargar estos materiales después de conseguir la contraseña apropiada de su representante de ventas local. Material de apoyo en español (sin costo y por medio de un código de acceso) Este libro cuenta con un sitio de complementos digitales que contiene una serie de recursos en español para el profesor y el estudiante, los cuales incluyen los videos solución, cuestionarios interactivos y figuras activas, entre otros. Para tener acceso a los complementos digitales, solicítalo al correo [email protected] indi- cando el título del ebook. Recursos para el estudiante (sólo en inglés y con un costo adicional) Manual de soluciones del estudiante/Guía de estudio de John R. Gordon, Vahé Peroomian, Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Este manual de dos volúmenes ofrece solu- ciones detalladas a 20% de los problemas de fin de capítulo del texto. El manual también incluye una lista de ecuaciones importantes, conceptos y las notas de las sec- ciones clave del texto, además de respuestas a las preguntas al final de los capítulos seleccionados. El volumen 1 contiene los capítulos 1 a 22 y el volumen 2 contiene los capítulos 23 a 46. Manual de laboratorio de física, Tercera edición, por David Loyd (Angelo State Univer- sity), complementa el aprendizaje de los principios físicos básicos, mientras introduce los procedimientos y equipos de laboratorio. Cada capítulo incluye una asignación previa al laboratorio, objetivos, una lista de equipo, la teoría detrás del experimento, procedimientos experimentales, ejercicios, gráficas y preguntas. Un formulario de informe de laboratorio se incluye con cada experimento para que el estudiante pueda registrar los datos, cálculos y resultados experimentales. Los estudiantes son alentados a aplicar el análisis estadístico a los datos. Un Manual completo del instructor también está disponible para facilitar el uso de este manual de laboratorio. Experimentos de laboratorio de física, Séptima edición, de Jerry D. Wilson (Lander College) y Cecilia A. Hernández (American River College). Este manual, líder en el mercado para el primer curso de laboratorio de física, ofrece una amplia gama de experimentos probados en clase diseñados específicamente para su uso en pro- gramas de laboratorio pequeños y medianos. Una serie de experimentos integrados enfatiza el uso de la instrumentación computarizada e incluye una serie de “expe- rimentos asistidos por computadora” para permitir a los estudiantes e instructores ganar experiencia con equipos modernos. Esta opción también permite a los ins- tructores determinar el equilibrio adecuado entre los experimentos tradicionales y de Internet para sus cursos. Mediante el análisis de los datos a través de dos métodos  Prefacio xxiii diferentes, los estudiantes obtienen una mayor comprensión de los conceptos detrás de los experimentos. La séptima edición se ha actualizado con la última informa- ción y técnicas que implican el estado de equipos de última generación y una nueva característica Guided Learning aborda el creciente interés en la pedagogía de la investigación guiada. Catorce ensayos adicionales también están disponibles a través de la impresión personalizada. Opciones de enseñanza Los temas en este libro se presentan en la siguiente secuencia: mecánica clásica, oscilaciones y ondas mecánicas, y calor y termodinámica. Esta presentación es una secuencia tradicional, donde el tema de las ondas mecánicas se aborda antes que la electricidad y el magnetismo. Algunos profesores prefieren estudiar las ondas mecá- nicas y electromagnéticas juntas después de completar la electricidad y el magne- tismo. En este caso, los capítulos 16 a 18 podrían ser cubiertos a lo largo del capítulo 34. El capítulo sobre la relatividad se coloca cerca del final del texto, porque este tema se trata a menudo como una introducción a la era de la “física moderna”. Si el tiempo lo permite, los profesores pueden optar por cubrir el capítulo 39 después de completar el capítulo 13 como conclusión del material de la mecánica newtoniana. Para los instructores que enseñan una secuencia de dos semestres, algunas seccio- nes y capítulos del volumen 1 se podrían eliminar sin pérdida de continuidad. Las siguientes secciones se pueden considerar opcionales para este propósito: 25.7 Experimento de la gota de aceite de Millikan 36.7 El ojo 25.8 Aplicaciones de la electrostática 36.8 La lupa simple 26.7 Descripción atómica de los materiales dieléctricos 36.9 El microscopio compuesto 27.5 Superconductores 36.10 El telescopio 28.5 Cableado doméstico y seguridad eléctrica 38.5 Difracción de los rayos X mediante cristales 29.3 Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas 39.9 Teoría general de la relatividad en un campo magnético 41.6 Aplicaciones del efecto túnel 29.6 El efecto Hall 42.9 Transiciones espontáneas y estimuladas 30.6 Magnetismo en la materia 42.10 Láseres 31.6 Corrientes de Eddy 43.7 Dispositivos semiconductores 33.9 Rectificadores y filtros 43.8 Superconductividad 34.6 Producción de ondas electromagnéticas 44.8 Resonancia magnética nuclear y formación de por una antena imágenes por resonancia magnética 36.5 Aberraciones de las lentes 45.5 Daño por radiación 36.6 La cámara fotográfica 45.6 U