Física Universitaria Vol 2 (Sears-Zemansky) PDF

YOUNG FREEDMAN SEARS ZEMANSKY Física universitaria CON FÍSICA MODERNA volumen 2 Decimosegunda edición FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Longitud Aceleración 1 m 5 100 cm 5 1000 mm 5 1...

YOUNG FREEDMAN SEARS ZEMANSKY Física universitaria CON FÍSICA MODERNA volumen 2 Decimosegunda edición FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Longitud Aceleración 1 m 5 100 cm 5 1000 mm 5 106 mm 5 109 nm 1 m/s2 5 100 cm/s2 5 3.281 ft/s2 1 km 5 1000 m 5 0.6214 mi 1 cm/s2 5 0.01 m/s2 5 0.03281 ft/s2 1 m 5 3.281 ft 5 39.37 in 1 ft/s2 5 0.3048 m/s2 5 30.48 cm/s2 1 cm 5 0.3937 in 1 mi/h # s 5 1.467 ft/s2 1 in. 5 2.540 cm 1 ft 5 30.48 cm 1 yd 5 91.44 cm Masa 1 mi 5 5280 ft 5 1.609 km 1 kg 5 103 g 5 0.0685 slug 1 Å 5 10210 m 5 1028 cm 5 1021 nm 1 g 5 6.85 3 1025 slug 1 milla náutica 5 6080 ft 1 slug 5 14.59 kg 1 año luz 5 9.461 3 1015 m 1 u 5 1.661 3 10227 kg 1 kg tiene un peso de 2.205 lb cuando g 5 9.80 m>s2 Área 1 cm2 5 0.155 in2 Fuerza 1 m2 5 104 cm2 5 10.76 ft2 1 N 5 105 dinas 5 0.2248 lb 1 in2 5 6.452 cm2 1 lb 5 4.448 N 5 4.448 3 105 dinas 1 ft 5 144 in2 5 0.0929 m2 Presión 1 Pa 5 1 N/m2 5 1.450 3 1024lb/in2 5 0.209 lb/ft2 Volumen 1 bar 5 105 Pa 1 litro 5 1000 cm3 5 1023 m3 5 0.03531 ft3 5 61.02 in3 1 lb/in2 5 6895 Pa 1 ft3 5 0.02832 m3 5 28.32 litros 5 7.477 galones 1 lb/ft2 5 47.88 Pa 1 galón 5 3.788 litros 1 atm 5 1.013 3 105 Pa 5 1.013 bar 5 14.7 lb/in2 5 2117 lb/ft2 1 mm Hg 5 1 torr 5 133.3 Pa Tiempo 1 min 5 60 s 1 h 5 3600 s Energía 1 d 5 86,400 s 1 J 5 107ergs 5 0.239 cal 1 año 5 365.24 d 5 3.156 3 107 s 1 cal 5 4.186 J (con base en caloría de 15°) 1 ft # lb 5 1.356 J 1 Btu 5 1055 J 5 252 cal 5 778 ft # lb Ángulo 1 eV 5 1.602 3 10219 J 1 rad 5 57.30° 5 180°/p 1 kWh 5 3.600 3 106 J 1° 5 0.01745 rad 5 p/180 rad 1 revolución 5 360° 5 2p rad 1 rev/min (rpm) 5 0.1047 rad/s Equivalencia masa-energía 1 kg 4 8.988 3 1016 J 1 u 4 931.5 MeV Rapidez 1 eV 4 1.074 3 1029 u 1 m/s 5 3.281 ft/s 1 ft/s 5 0.3048 m/s 1 mi/min 5 60 mi/h 5 88 ft/s Potencia 1 km/h 5 0.2778 m/s 5 0.6214 mi/h 1 W 5 1 J/s 1 mi/h 5 1.466 ft/s 5 0.4470 m/s 5 1.609 km/h 1 hp 5 746 W 5 550 ft # lb/s 1 furlong/14 días 5 1.662 3 1024 m/s 1 Btu/h 5 0.293 W CONSTANTES NUMÉRICAS Constantes físicas fundamentales* Nombre Símbolo Valor Rapidez de la luz c 2.99792458 3 108 m/s Magnitud de carga del electrón e 1.60217653(14) 3 10219 C Constante gravitacional G 6.6742(10) 3 10211 N # m2 /kg2 Constante de Planck h 6.6260693(11) 3 10234 J # s Constante de Boltzmann k 1.3806505(24) 3 10223 J/K Número de Avogadro NA 6.0221415(10) 3 1023 moléculas/mol Constante de los gases R 8.314472(15) J/mol # K Masa del electrón me 9.1093826(16) 3 10231 kg Masa del protón mp 1.67262171(29) 3 10227 kg Masa del neutrón mn 1.67492728(29) 3 10227 kg Permeabilidad del espacio libre m0 4p 3 1027 Wb/A # m Permitividad del espacio libre P0 5 1/m 0c 2 8.854187817 c 3 10212 C2/N # m2 1/4pP0 8.987551787 c 3 109 N # m2 /C2 Otras constante útiles Equivalente mecánico del calor 4.186 J/cal (15° caloría ) Presión atmosférica estándar 1 atm 1.01325 3 105 Pa Cero absoluto 0K 2273.15 °C Electrón volt 1 eV 1.60217653(14) 3 10219 J Unidad de masa atómica 1u 1.66053886(28) 3 10227 kg Energía del electrón en reposo mec 2 0.510998918(44) MeV Volumen del gas ideal (0 °C y 1 atm) 22.413996(39) litros/mol Aceleración debida a la gravedad g 9.80665 m/s2 (estándar) *Fuente: National Institute of Standards and Technology (http://physics.nist.gov/cuu). Los números entre paréntesis indican incertidumbre en los dígitos finales del número principal; por ejemplo, el número 1.6454(21) significa 1.6454 6 0.0021. Los valores que no indican incertidumbre son exactos. Datos astronómicos† Radio de la Periodo de Cuerpo Masa (kg) Radio (m) órbita (m) la órbita Sol 1.99 3 1030 6.96 3 108 — — Luna 7.35 3 1022 1.74 3 106 3.84 3 108 27.3 d Mercurio 3.30 3 1023 2.44 3 106 5.79 3 1010 88.0 d Venus 4.87 3 1024 6.05 3 106 1.08 3 1011 224.7 d Tierra 5.97 3 1024 6.38 3 106 1.50 3 1011 365.3 d Marte 6.42 3 1023 3.40 3 106 2.28 3 1011 687.0 d Júpiter 1.90 3 1027 6.91 3 107 7.78 3 1011 11.86 y Saturno 5.68 3 1026 6.03 3 107 1.43 3 1012 29.45 y Urano 8.68 3 1025 2.56 3 107 2.87 3 1012 84.02 y Neptuno 1.02 3 1026 2.48 3 107 4.50 3 1012 164.8 y Plutón‡ 1.31 3 1022 1.15 3 106 5.91 3 1012 247.9 y † Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory Solar System Dynamics Group (http://ssd.jlp.nasa.gov) y P. Kenneth Seidelmann, ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac (University Science Books, Mill Valley, CA, 1992), pp. 704-706. Para cada cuerpo, “radio” es el radio en su ecuador y “radio de la órbita” es la distancia media desde el Sol (en el caso de los planetas) o desde la Tierra (en el caso de la Luna). ‡ En agosto de 2006 la Unión Astronómica Internacional reclasificó a Plutón y a otros pequeños objetos que giran en órbita alrededor del Sol como “planetas enanos”.  SEARS ZEMANSKY física unIverSitaria CON FÍSICA MODERNA Volumen 2 ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS PÁGINA 21.1 Ley de Coulomb 719 31.1 Circuitos de corriente alterna 1073 21.2 Cálculos de campo eléctrico 728 32.1 Ondas electromagnéticas 1103 22.1 Ley de Gauss 762 33.1 Reflexión y refracción 1128 23.1 Cálculo del potencial eléctrico 794 33.2 Polarización lineal 1138 24.1 Capacitancia equivalente 822 34.1 Formación de imágenes con espejos 1168 24.2 Dieléctricos 831 34.2 Formación de imágenes por lentes delgadas 1180 25.1 Potencia y energía en los circuitos 865 35.1 Interferencia en películas delgadas 1221 26.1 Resistores en serie y en paralelo 884 37.1 Dilatación del tiempo 1276 26.2 Reglas de Kirchhoff 888 37.2 Contracción de la longitud 1281 27.1 Fuerzas magnéticas 921 37.3 Transformaciones de Lorentz 1286 27.2 Movimiento en campos magnéticos 927 38.1 Fotones 1312 28.1 Cálculo de campos magnéticos 961 39.1 Partículas y ondas 1351 28.2 Ley de Ampère 973 41.1 Estructura atómica 1405 29.1 Ley de Faraday 999 43.1 Propiedades nucleares 1474 30.1 Inductores en circuitos 1041 ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM ONLINE www.masteringphysics.com 10.1 Propiedades de las ondas mecánicas 13.2 Campo magnético de una espira 16.4 La rejilla: introducción y preguntas 11.1 Fuerza eléctrica: ley de Coulomb 13.3 Campo magnético de un solenoide 16.5 La rejilla: problemas 11.2 Fuerza eléctrica: principio de 13.4 Fuerza magnética sobre una partícula 16.6 Difracción desde una sola ranura superposición 13.5 Fuerza magnética sobre un alambre 16.7 Difracción en orificios circulares 11.3 Fuerza eléctrica: superposición 13.6 Par de torsión magnético sobre una espira 16.8 Poder de resolución (cuantitativa) 13.7 Espectrómetro de masas 16.9 Óptica física: polarización 11.4 Campo eléctrico: carga puntual 13.8 Selector de velocidad 17.1 Relatividad del tiempo 11.5 Campo eléctrico debido a un dipolo 13.9 Inducción electromagnética 17.2 Relatividad de la longitud 11.6 Campo eléctrico: problemas 13.10 Fuerza electromotriz de movimiento 17.3 Efecto fotoeléctrico 11.7 Flujo eléctrico 14.1 El circuito RL 17.4 Dispersión de Compton 11.8 Ley de Gauss 14.2 Circuitos de CA: el oscilador RLC 17.5 Interferencia de electrones 11.9 Movimiento de una carga en un campo 14.3 Circuitos de CA: el oscilador excitador 17.6 Principio de incertidumbre eléctrico: introducción 15.1 Reflexión y refracción 17.7 Paquetes de ondas 11.10 Movimiento en un campo eléctrico: 15.2 Reflexión interna total 18.1 El modelo de Bohr problemas 15.3 Aplicaciones de la refracción 18.2 Espectroscopía 11.11 Potencial eléctrico: introducción 15.4 Óptica geométrica: espejos planos 18.3 El láser cualitativa 15.5 Espejos esféricos: diagramas de rayos 19.1 Dispersión de partículas 11.12 Potencial, campo y fuerza eléctricos 15.6 Espejos esféricos: ecuación del espejo 19.2 Energía de enlace nuclear 11.13 Energía potencial eléctrica y potencial 15.7 Espejos esféricos: aumento lineal m 19.3 Fusión 12.1 Circuitos de CD en serie (cualitativos) 15.8 Espejos esféricos: problemas 19.4 Radiactividad 12.2 Circuitos de CD en paralelo 15.9 Diagramas de rayos de lentes delgadas 19.5 Física de partículas 12.3 Diagramas de circuitos de CD 15.10 Lentes delgadas convergentes 20.1 Diagramas de energía potencial 12.4 Uso de amperímetros y voltímetros 15.11 Lentes delgadas divergentes 20.2 Partícula en una caja 12.5 Uso de las leyes de Kirchhoff 15.12 Sistemas de dos lentes 20.3 Pozos de potencial 12.6 Capacitancia 16.1 Interferencia de dos fuentes: introducción 20.4 Barreras de potencial 12.7 Capacitores en serie y en paralelo 16.2 Interferencia de dos fuentes: preguntas 12.8 Constantes de tiempo de circuitos cualitativas 13.1 Campo magnético de un alambre 16.3 Interferencia de dos fuentes: problemas REVISIÓN TÉCNICA MÉXICO Alberto Rubio Ponce Robert Sánchez Cano Gabriela Del Valle Díaz Muñoz Universidad Autónoma de Occidente Héctor Luna García Cali José Antonio Eduardo Roa Neri Universidad Autónoma Metropolitana Fernando Molina Focazzio Unidad Azcapotzalco Pontificia Universidad Javeriana Bogotá Ricardo Pintle Monroy Rafael Mata Jaime Isaza Ceballos Carlos Gutiérrez Aranzeta Escuela Colombiana de Ingeniería Instituto Politécnico Nacional Bogotá Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Zacatenco COSTA RICA Marcela Martha Villegas Garrido Diego Chaverri Polini Francisco J. Delgado Cepeda Universidad Latina de Costa Rica Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey San José Campus Estado de México Juan Meneses Rimola Lázaro Barajas de la Torre Instituto Tecnológico de Costa Rica Lucio López Cavazos Cartago Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Querétaro Randall Figueroa Mata Universidad Hispanoamericana José Arturo Tar Ortiz Peralta San José Omar Olmos López Víctor Bustos Meter José Luis Salazar Laureles ESPAÑA Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey José M. Zamarro Minguell Universidad de Murcia Campus Toluca Campus del Espinardo Murcia Daniel Zalapa Zalapa Centro de Enseñanza Técnica Industrial Guadalajara Fernando Ribas Pérez Universidad de Vigo Escola Universitaria de Enxeñería Técnica Industrial Lorena Vega López Vigo Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Universidad de Guadalajara Stefano Chiussi Universidad de Vigo Sergio Flores Escola Técnica Superior de Enxeñeiros de Telecomunicación Instituto de Ingeniería y Tecnología Vigo Universidad Autónoma de Ciudad Juárez ARGENTINA Miguel Ángel Hidalgo Universidad de Alcalá de Henares Ema Aveleyra Campus Universitario Universidad de Buenos Aires Alcalá de Henares Buenos Aires Alerino Beltramino PERÚ UTN Regional Buenos Aires Yuri Milachay Vicente Buenos Aires Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas Lima Miguel Ángel Altamirano UTN Regional Córdoba VENEZUELA Córdoba Mario Caicedo Álvaro Restuccia COLOMBIA Jorge Stephany Álvaro Andrés Velásquez Torres Universidad Simón Bolívar Universidad EAFIT Caracas Medellín  SEARS ZEMANSKY física unIverSitaria CON FÍSICA MODERNA Decimosegunda edición volumen 2 HUGH D. YOUNG CARNEGIE MELLON UNIVERSITY ROGER A. FREEDMAN UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA CON LA COLABORACIÓN DE A. LEWIS FORD texas a&m university TRADUCCIÓN JAVIER ENRÍQUEZ BRITO traductor profesional especialista en el área de ciencias REVISIÓN TÉCNICA RIGEL GÁMEZ LEAL GABRIEL ALEJANDRO JARAMILLO MORALES ÉDGAR RAYMUNDO LÓPEZ TÉLLEZ FRANCISCO MIGUEL PÉREZ RAMÍREZ facultad de ingeniería universidad nacional autónoma de méxico Addison-Wesley  Datos de catalogación bibliográfica YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN Física universitaria, con física moderna volumen 2. Decimosegunda edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009 ISBN: 978-607-442-304-4 Área: Ciencias Formato: 21 3 27 cm Páginas: 896 Authorized adaptation from the English language edition, entitled University Physics with Modern Physics 12th ed. (chapters 21-44), by Hugh D. Young, Roger A. Freedman; contributing author, A. Lewis Ford published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright © 2008. All rights reserved. ISBN 9780321501219 Adaptación autorizada de la edición en idioma inglés, titulada University Physics with Modern Physics 12ª ed. (capítulos 21-44), de Hugh D. Young, Roger A. Freedman; con la colaboración de A. Lewis Ford, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, Copyright © 2008. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Rubén Fuerte Rivera e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: Enrique Trejo Hernández Edición en inglés Vice President and Editorial Director: Adam Black, Ph.D. Cover Design: Yvo Riezebos Design Senior Development Editor: Margot Otway Manufacturing Manager: Pam Augspurger Editorial Manager: Laura Kenney Director, Image Resource Center: Melinda Patelli Associate Editor: Chandrika Madhavan Manager, Rights and Permissions: Zina Arabia Media Producer: Matthew Phillips Photo Research: Cypress Integrated Systems Director of Marketing: Christy Lawrence Cover Printer: Phoenix Color Corporation Managing Editor: Corinne Benson Printer and Binder: Courier Corporation/Kendallville Production Supervisor: Nancy Tabor Cover Image: The Millau Viaduct, designed by Lord Norman Foster, Production Service: WestWords, Inc. Millau, France. Illustrations: Rolin Graphics Photograph by Jean-Philippe Arles/Reuters/Corbis Text Design: tani hasegawa DECIMOSEGUNDA EDICIÓN VERSIÓN IMPRESA, 2009 DECIMOSEGUNDA EDICIÓN E-BOOK, 2009 D.R. © 2009 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500-5° piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México e-mail: [email protected] Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Addison-Wesley es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 – 13 12 11 10 Addison-Wesley es una marca de ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-442-304-4 www.pearsoneducacion.net ISBN E-BOOK: 978-607-442-307-5 CONTENIDO BREVE Electromagnetismo Física moderna 21 Carga eléctrica y campo eléctrico 709 37 Relatividad 1268 22 Ley de Gauss 750 38 Fotones, electrones y átomos 1307 23 Potencial eléctrico 780 39 La naturaleza ondulatoria de las partículas 1349 24 Capacitancia y dieléctricos 815 25 Corriente, resistencia y fuerza 40 Mecánica cuántica 1375 electromotriz 846 41 Estructura atómica 1401 26 Circuitos de corriente directa 881 42 Moléculas y materia condensada 1433 27 Campo magnético y fuerzas 43 Física nuclear 1468 magnéticas 916 44 Física de partículas y cosmología 1509 28 Fuentes de campo magnético 957 29 Inducción electromagnética 993 APÉNDICES 30 Inductancia 1030 A El sistema internacional de unidades A-1 B Relaciones matemáticas útiles A-3 31 Corriente alterna 1061 C El alfabeto griego A-4 D Tabla periódica de los elementos A-5 32 Ondas electromagnéticas 1092 E Factores de conversión de unidades A-6 F Constantes numéricas A-7 Óptica Respuestas a los problemas con número impar A-9 33 Naturaleza y propagación de la luz 1121 34 Óptica geométrica 1157 35 Interferencia 1207 36 Difracción 1234 SOBRE LOS AUTORES Hugh D. Young es profesor emérito de física en Carnegie Mellon University, en Pittsburgh, PA. Cursó sus estudios de licenciatura y posgrado en Carnegie Mellon, donde obtuvo su doctorado en teoría de partículas fundamentales bajo la dirección de Richard Cutkosky, hacia el final de la carrera académica de éste. Se unió al claus- tro de profesores de Carnegie Mellon en 1956 y también ha sido profesor visitante en la Universidad de California en Berkeley durante dos años. La carrera del profesor Young se ha centrado por completo en la docencia en el nivel de licenciatura. Ha escrito varios libros de texto para ese nivel y en 1973 se con- virtió en coautor de los bien conocidos libros de introducción a la física de Francis Sears y Mark Zemansky. A la muerte de éstos, el profesor Young asumió toda la responsabilidad de las nuevas ediciones de esos textos, hasta que se le unió el pro- fesor Freedman para elaborar Física Universitaria. El profesor Young practica con entusiasmo el esquí, el montañismo y la caminata. También ha sido durante varios años organista asociado en la Catedral de San Pablo, en Pittsburgh, ciudad en la que ha ofrecido numerosos recitales. Durante el verano viaja con su esposa Alice, en especial a Europa y a la zona desértica de los cañones del sur de Utah. Roger A. Freedman es profesor en la Universidad de California, en Santa Bárbara (UCSB). El doctor Freedman estudió su licenciatura en los planteles de San Diego y Los Ángeles de la Universidad de California, y realizó su investigación doctoral en teoría nuclear en la Universidad de Stanford bajo la dirección del profesor J. Dirk Walecka. Llegó a UCSB en 1981, después de haber sido durante tres años profesor e investigador en la Universidad de Washington. En UCSB el doctor Freedman ha impartido cátedra tanto en el departamento de Física como en la Escuela de Estudios Creativos, un organismo de la universidad que da cabida a los estudiantes con dotes y motivación para el arte. Ha publicado artículos sobre física nuclear, física de partículas elementales y física de láseres. En los años recientes ha colaborado en el desarrollo de herramientas de cómputo para la enseñanza de la física y la astronomía. Cuando no está en el aula o trabajando afanosamente ante una computadora, al doctor Freedman se le ve volando (tiene licencia de piloto comercial) o manejando con su esposa Caroline su automóvil convertible Nash Metropolitan, modelo 1960. A. Lewis Ford es profesor de física en Texas A&M University. Cursó la licenciatura en Rice University en 1968, y obtuvo un doctorado en física química de la Universidad de Texas, en Austin, en 1972. Después de pasar un año de posdoctorado en la Univer- sidad de Harvard, se unió en 1973 a Texas A&M University como profesor de física, donde ha permanecido desde entonces. El área de investigación del profesor Ford es la física atómica teórica, con especialidad en colisiones atómicas. En Texas A&M University ha impartido una amplia variedad de cursos de licenciatura y posgrado, pero sobre todo de introducción a la física. AL ESTUDIANTE CÓMO TRIUNFAR EN FÍSICA SI SE INTENTA DE VERDAD Mark Hollabaugh Normandale Community College La física estudia lo grande y lo pequeño, lo viejo y lo nue- hábitos de estudio. Quizá lo más importante que pueda hacer vo. Del átomo a las galaxias, de los circuitos eléctricos a la por usted mismo sea programar de manera regular el tiempo aerodinámica, la física es una gran parte del mundo que nos adecuado en un ambiente libre de distracciones. rodea. Es probable que esté siguiendo este curso de introduc- ción a la física, basado en el cálculo, porque lo requiera para Responda las siguientes preguntas para usted mismo: materias posteriores que planee tomar para su carrera en ¿Soy capaz de utilizar los conceptos matemáticos funda- ciencias o ingeniería. Su profesor quiere que aprenda física mentales del álgebra, geometría y trigonometría? (Si no y goce la experiencia. Él o ella tienen mucho interés en ayu- es así, planee un programa de repaso con ayuda de su darlo a aprender esta fascinante disciplina. Ésta es parte de profesor.) la razón por la que su maestro eligió este libro para el curso. En cursos similares, ¿qué actividad me ha dado más pro- También es la razón por la que los doctores Young y Freedman blemas? (Dedique más tiempo a eso.) ¿Qué ha sido lo me pidieron que escribiera esta sección introductoria. ¡Quere- más fácil para mí? (Haga esto primero; lo ayudará a ga- mos que triunfe! nar confianza.) El propósito de esta sección de Física universitaria es dar- ¿Entiendo el material mejor si leo el libro antes o después le algunas ideas que lo ayuden en su aprendizaje. Al análisis de la clase? (Quizás aprenda mejor si revisa rápido el breve de los hábitos generales y las estrategias de estudio, se- material, asiste a clase y luego lee con más profundidad.) guirán sugerencias específicas de cómo utilizar el libro. ¿Dedico el tiempo adecuado a estudiar física? (Una regla práctica para una clase de este tipo es dedicar en prome- Preparación para este curso dio 2.5 horas de estudio fuera del aula por cada hora de Si en el bachillerato estudió física, es probable que aprenda clase en esta. Esto significa que para un curso con cinco los conceptos más rápido que quienes no lo hicieron porque es- horas de clase programadas a la semana, debe destinar de tará familiarizado con el lenguaje de la física. De igual modo, 10 a 15 horas semanales al estudio de la física.) si tiene estudios avanzados de matemáticas comprenderá con ¿Estudio física a diario? (¡Distribuya esas 10 a15 horas más rapidez los aspectos matemáticos de la física. Aun si a lo largo de toda la semana!) ¿A qué hora estoy en mi tuviera un nivel adecuado de matemáticas, encontrará útiles mejor momento para estudiar física? (Elija un horario libros como el de Arnold D. Pickar, Preparing for General específico del día y respételo.) Physics: Math Skill Drills and Other Useful Help (Calculus ¿Trabajo en un lugar tranquilo en el que pueda mantener Version). Es posible que su profesor asigne tareas de este mi concentración? (Las distracciones romperán su rutina repaso de matemáticas como auxilio para su aprendizaje. y harán que pase por alto puntos importantes.) Aprender a aprender Trabajar con otros Cada uno de nosotros tiene un estilo diferente de aprendizaje Es raro que los científicos e ingenieros trabajen aislados unos de y un medio preferido para hacerlo. Entender cuál es el suyo lo otros, y más bien trabajan en forma cooperativa. Aprenderá ayudará a centrarse en los aspectos de la física que tal vez le más física y el proceso será más ameno si trabaja con otros planteen dificultades y a emplear los componentes del curso estudiantes. Algunos profesores tal vez formalicen el uso del que lo ayudarán a vencerlas. Es obvio que querrá dedicar más aprendizaje cooperativo o faciliten la formación de grupos tiempo a aquellos aspectos que le impliquen más problemas. de estudio. Es posible que desee formar su propio grupo no Si usted aprende escuchando, las conferencias serán muy im- formal de estudio con miembros de su clase que vivan en su portantes. Si aprende con explicaciones, entonces será de vecindario o residencia estudiantil. Si tiene acceso al correo ayuda trabajar con otros estudiantes. Si le resulta difícil re- electrónico, úselo para estar en contacto con los demás. Su solver problemas, dedique más tiempo a aprender cómo ha- grupo de estudio será un recurso excelente cuando se pre- cerlo. Asimismo, es importante entender y desarrollar buenos pare para los exámenes. ix x Cómo triunfar en física si se intenta de verdad Las clases y los apuntes Exámenes Un factor importante de cualquier curso universitario son las Presentar un examen es estresante. Pero si se preparó de ma- clases. Esto es especialmente cierto en física, ya que será fre- nera adecuada y descansó bien, la tensión será menor. La cuente que su profesor haga demostraciones de principios preparación para un examen es un proceso continuo; co- físicos, ejecute simulaciones de computadora o proyecte mienza en el momento en que termina el último examen. videos. Todas éstas son actividades de aprendizaje que lo Debe analizar sus exámenes y comprender los errores que ayudarán a comprender los principios básicos de la física. haya cometido. Si resolvió un problema y cometió errores No falte a clases, y si lo hace por alguna razón especial, pida importantes, pruebe lo siguiente: tome una hoja de papel y a un amigo o miembro de su grupo de estudio que le dé los divídala en dos partes con una línea de arriba hacia abajo. apuntes y le diga lo que pasó. En una columna escriba la solución apropiada del problema, En clase, tome notas rápidas y entre a los detalles después. y en la otra escriba lo que hizo y por qué, si es que lo sabe, y Es muy difícil tomar notas palabra por palabra, de modo que la razón por la que su propuesta de solución fue incorrecta. sólo escriba las ideas clave. Si su profesor utiliza un dia- Si no está seguro de por qué cometió el error o de la forma grama del libro de texto, deje espacio en el cuaderno para de evitarlo, hable con su profesor. La física se construye de éste y agréguelo más tarde. Después de clase, complete sus manera continua sobre ideas fundamentales y es importante apuntes con la cobertura de cualquier faltante u omisión y corregir de inmediato cualquiera malentendido. Cuidado: si anotando los conceptos que necesite estudiar posteriormen- se prepara en el último minuto para un examen, no retendrá te. Haga referencias por página del libro de texto, número de en forma adecuada los conceptos para el siguiente. ecuación o de sección. Asegúrese de hacer preguntas en clase, o vea a su pro- fesor durante sus horas de asesoría. Recuerde que la única pregunta “fuera de lugar” es la que no se hace. En su escue- la quizá haya asistentes de profesor o tutores para ayudarlo con las dificultades que encuentre. AL PROFESOR PREFACIO Este libro es el producto de más de medio siglo de liderazgo Problemas mejorados al final de cada capítulo Reco- e innovación en la enseñanza de la física. Cuando en 1949 se nocido por contener los problemas más variados y pro- publicó la primera edición de Física universitaria, de Francis bados que existen, la decimosegunda edición va más W. Sears y Mark W. Zemansky, su énfasis en los principios allá: ofrece la primera biblioteca de problemas de fí- fundamentales de la física y la forma de aplicarlos fue un sica mejorados de manera sistemática con base en el aspecto revolucionario entre los libros de la disciplina cuya desempeño de estudiantes de toda la nación. A partir de base era el cálculo. El éxito del libro entre generaciones de este análisis, más de 800 nuevos problemas se integran (varios millones) de estudiantes y profesores de todo el mun- al conjunto de 3700 de toda la biblioteca. do da testimonio del mérito de este enfoque, y de las muchas innovaciones posteriores. MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com). Lan- Al preparar esta nueva decimosegunda edición, hemos zado con la undécima edición, la herramienta de Mastering- mejorado y desarrollado aún más Física universitaria asimi- Physics ahora es el sistema de tareas y enseñanza en línea lando las mejores ideas de la investigación educativa con más avanzado del mundo que se haya adoptado y probado respecto a la enseñanza basada en la resolución de problemas, en la educación de la manera más amplia. Para la deci- la pedagogía visual y conceptual; este libro es el primero que mosegunda edición, MasteringPhysics incorpora un con- presenta problemas mejorados en forma sistemática, y en uti- junto de mejoras tecnológicas y nuevo contenido. Además lizar el sistema de tareas y enseñanza en línea más garantizado de una biblioteca de más de 1200 tutoriales y de todos y usado del mundo. los problemas de fin de capítulo, MasteringPhysics ahora también presenta técnicas específicas para cada Estrategia para resolver problemas, así como para las preguntas de Lo nuevo en esta edición la sección de Evalúe su comprensión de cada capítulo. Solución de problemas El celebrado enfoque de cua- Las respuestas incluyen los tipos algebraico, numérico y de tro pasos para resolver problemas, basado en la inves- opción múltiple, así como la clasificación, elaboración tigación (identificar, plantear, ejecutar y evaluar) ahora de gráficas y trazado de vectores y rayos. se usa en cada ejemplo resuelto, en la sección de Estra- tegia para resolver problemas de cada capítulo, y en las Características clave de soluciones de los manuales para el profesor y para el es- tudiante. Los ejemplos resueltos ahora incorporan boce- Física universitaria tos en blanco y negro para centrar a los estudiantes en Una guía para el estudiante Muchos estudiantes de física esta etapa crítica: aquella que, según las investigaciones, tienen dificultades tan sólo porque no saben cómo usar su los estudiantes tienden a saltar si se ilustra con figuras libro de texto. La sección llamada “Cómo triunfar en física muy elaboradas. si se intenta de verdad”. Instrucciones seguidas por práctica Una trayectoria de Organización de los capítulos La primera sección de cada enseñanza y aprendizaje directa y sistemática seguida por capítulo es una introducción que da ejemplos específicos del la práctica, incluye Metas de aprendizaje al principio de contenido del capítulo y lo conecta con lo visto antes. Tam- cada capítulo, así como Resúmenes visuales del capítulo bién hay una pregunta de inicio del capítulo y una lista de que consolidan cada concepto con palabras, matemáticas metas de aprendizaje para hacer que el lector piense en el y figuras. Las preguntas conceptuales más frecuentes en tema del capítulo que tiene por delante. (Para encontrar la la sección de Evalúe su comprensión al final de cada sec- respuesta a la pregunta, busque el icono ?) La mayoría de las ción ahora usan formatos de opción múltiple y de clasi- secciones terminan con una pregunta para que usted Evalúe ficación que permiten a los estudiantes la comprobación su comprensión, que es de naturaleza conceptual o cuantita- instantánea de sus conocimientos. tiva. Al final de la última sección del capítulo se encuentra un resumen visual del capítulo de los principios más impor- Poder didáctico de las figuras El poder que tienen las tantes que se vieron en éste, así como una lista de términos figuras en la enseñanza fue enriquecido con el empleo de clave que hace referencia al número de página en que se pre- la técnica de “anotaciones”, probada por las investiga- senta cada término. Las respuestas a la pregunta de inicio del ciones (comentarios estilo pizarrón integrados en la figura, capítulo y a las secciones Evalúe su comprensión se encuen- para guiar al estudiante en la interpretación de ésta), y por tran después de los términos clave. el uso apropiado del color y del detalle (por ejemplo, en la mecánica se usa el color para centrar al estudian- Preguntas y problemas Al final de cada capítulo hay un te en el objeto de interés al tiempo que se mantiene el conjunto de preguntas de repaso que ponen a prueba y am- resto de la imagen en una escala de grises sin detalles que plían la comprensión de los conceptos que haya logrado el distraigan). estudiante. Después se encuentran los ejercicios, que son xi xii Prefacio problemas de un solo concepto dirigidos a secciones espe- Flexibilidad El libro es adaptable a una amplia variedad de cíficas del libro; los problemas por lo general requieren uno formatos de curso. Hay material suficiente para uno de tres se- o dos pasos que no son triviales; y los problemas de desafío mestres o de cinco trimestres. La mayoría de los profesores buscan provocar a los estudiantes más persistentes. Los pro- encontrarán que es demasiado material para un curso de un blemas incluyen aplicaciones a campos tan diversos como semestre, pero es fácil adaptar el libro a planes de estudio de la astrofísica, la biología y la aerodinámica. Muchos proble- un año si se omiten ciertos capítulos o secciones. Por ejemplo, mas tienen una parte conceptual en la que los estudiantes es posible omitir sin pérdida de continuidad cualquiera o to- deben analizar y explicar sus resultados. Las nuevas pregun- dos los capítulos sobre mecánica de fluidos, sonido, ondas tas, ejercicios y problemas de esta edición fueron creados y electromagnéticas o relatividad. En cualquier caso, ningún organizados por Wayne Anderson (Sacramento City College), profesor debiera sentirse obligado a cubrir todo el libro. Laird Kramer (Florida International University) y Charlie Hibbard. Material complementario Estrategias para resolver problemas y ejemplos resueltos para el profesor Los recuadros de Estrategia para resolver problemas, dis- tribuidos en todo el libro, dan a los estudiantes tácticas Los manuales de soluciones para el profesor, que preparó específicas para resolver tipos particulares de problemas. A. Lewis Ford (Texas A&M University), contienen solucio- Están enfocados en las necesidades de aquellos estudiantes nes completas y detalladas de todos los problemas de final que sienten que “entienden los conceptos pero no pueden de capítulo. Todas siguen de manera consistente el método de resolver los problemas”. identificar, plantear, ejecutar y evaluar usado en el libro. El Todos los recuadros de la Estrategia para resolver pro- Manual de soluciones para el profesor, para el volumen 1 blemas van después del método IPEE (identificar, plantear, cubre los capítulos 1 al 20, y el Manual de soluciones para ejecutar y evaluar) para solucionar problemas. Este enfoque el profesor, para los volúmenes 2 y 3 comprende los capí- ayuda a los estudiantes a visualizar cómo empezar con una tulos 21 a 44. situación compleja parecida, identificar los conceptos físicos La plataforma cruzada Administrador de medios ofrece una relevantes, decidir cuáles herramientas se necesitan para re- biblioteca exhaustiva de más de 220 applets de ActivPhysics solver el problema, obtener la solución y luego evaluar si el OnLine™, así como todas las figuras del libro en formato resultado tiene sentido. JPEG. Además, todas las ecuaciones clave, las estrategias Cada recuadro de Estrategia para resolver problemas va para resolver problemas, las tablas y los resúmenes de capí- seguido de uno o más ejemplos resueltos que ilustran la es- tulos se presentan en un formato de Word que permite la trategia; además, en cada capítulo se encuentran muchos otros edición. También se incluyen preguntas de opción múltiple ejemplos resueltos. Al igual que los recuadros de Estrategia semanales para usarlas con varios Sistemas de Respuesta en para resolver problemas, todos los ejemplos cuantitativos Clase (SRC), con base en las preguntas de la sección Evalúe utilizan el método IPEE. Varios de ellos son cualitativos y se su comprensión en el libro. identifican con el nombre de Ejemplos conceptuales. MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com) es el sis- Párrafos de “Cuidado” Dos décadas de investigaciones en tema de tareas y enseñanza de la física más avanzado y efi- la enseñanza de la física han sacado a la luz cierto número de caz y de mayor uso en el mundo. Pone a disposición de los errores conceptuales comunes entre los estudiantes de física maestros una biblioteca de problemas enriquecedores de fi- principiantes. Éstos incluyen las ideas de que se requiere nal de capítulo, tutoriales socráticos que incorporan varios fuerza para que haya movimiento, que la corriente eléctrica tipos de respuestas, retroalimentación sobre los errores, y “se consume” a medida que recorre un circuito, y que el pro- ayuda adaptable (que comprende sugerencias o problemas ducto de la masa de un objeto por su aceleración constituye más sencillos, si se solicitan). MasteringPhysics™ permite una fuerza en sí mismo. Los párrafos de “Cuidado” alertan que los profesores elaboren con rapidez una amplia variedad a los lectores sobre éstos y otros errores, y explican por qué de tareas con el grado de dificultad y la duración apropiadas; está equivocada cierta manera de pensar en una situación además, les da herramientas eficientes para que analicen las (en la que tal vez ya haya incurrido el estudiante. tendencias de la clase —o el trabajo de cualquier estudiante— Notación y unidades Es frecuente que los estudiantes tengan con un detalle sin precedente y para que comparen los resul- dificultades con la distinción de cuáles cantidades son vecto- tados ya sea con el promedio nacional o con el desempeño de res y cuáles no. Para las cantidades vectoriales usamos carac- grupos anteriores. S teresSen cursivas y negritas con una flecha encima, como v, S Cinco lecciones fáciles: estrategias para la enseñanza exi- a y F; los vectores unitarios tales como d^ van testados con tosa de la física por Randall D. Knight (California Polytechnic un acento circunflejo. En las ecuaciones con vectores se em- State University, San Luis Obispo), expone ideas creativas plean signos en negritas, 1, 2, 3 y 5, para hacer énfasis en acerca de cómo mejorar cualquier curso de física. Es una la distinción entre las operaciones vectoriales y escalares. herramienta invaluable para los maestros tanto principiantes Se utilizan exclusivamente unidades del SI (cuando es como veteranos. apropiado se incluyen las conversiones al sistema inglés). Se emplea el joule como la unidad estándar de todas las formas Las transparencias contienen más de 200 figuras clave de de energía, incluida la calorífica. Física universitaria, decimosegunda edición, a todo color.  Prefacio xiii El Banco de exámenes incluye más de 2000 preguntas de ActivPhysics OnLine™ (www.masteringphy- opción múltiple, incluye todas las preguntas del Banco de exá- ONLINE sics.com), incluido ahora en el área de autoapren- menes. Más de la mitad de las preguntas tienen valores numé- dizaje de MasteringPhysics, brinda la biblioteca ricos que pueden asignarse al azar a cada estudiante. Para más completa de applets y tutoriales basados en tener acceso a este material, consulte a su representante de éstos. ActivPhysics OnLine fue creado por el pionero de la Pearson local. educación Alan Van Heuvelen de Rutgers. A lo largo de la decimosegunda edición de University Physics hay iconos que dirigen al estudiante hacia applets específicos en Activ- Material complementario Physics OnLine para ayuda interactiva adicional. para el estudiante MasteringPhysics™ (www.masteringphysics.com) es el sis- Cuadernos de Trabajo de ActivPhysics OnLine™, por tema de enseñanza de la física más avanzado, usado y Alan Van Heuvelen, Rutgers y Paul d’Alessandris, Monroe probado en el mundo. Es resultado de ocho años de Community College, presentan una amplia gama de guías para estudios detallados acerca de cómo resuelven pro- la enseñanza que emplean los applets de gran aceptación que blemas de física los estudiantes reales y de las áreas ayudan a los estudiantes a desarrollar su comprensión y con- donde requieren ayuda. Los estudios revelan que los alumnos fianza. En particular, se centran en el desarrollo de la intui- que recurren a MasteringPhysics™ mejoran de manera sig- ción, la elaboración de pronósticos, la prueba experimental nifi-cativa sus calificaciones en los exámenes finales y prue- de suposiciones, el dibujo de diagramas eficaces, el entendi- bas conceptuales como la del Inventario Force Concept. miento cualitativo y cuantitativo de las ecuaciones clave, así Mastering-Physics™ logra esto por medio de dar a los estudi- como en la interpretación de la información gráfica. Estos antes re-troalimentación instantánea y específica sobre sus cuadernos de trabajo se usan en laboratorios, tareas o auto- respuestas equivocadas, proponer a solicitud de ellos proble- estudio. mas más sencillos cuando no logran avanzar, y asignar una calificación parcial por el método. Este sistema individual- izado de tutoría las 24 horas de los siete días de la semana es recomendado por nueve de cada diez alumnos a sus com- pañeros como el modo más eficaz de aprovechar el tiempo para estudiar. xiv Prefacio Agradecimientos Pearson Educación agradece a los centros de estudios y profesores usuarios de esta obra por su apoyo y retroalimentación, ele- mentos fundamentales para esta nueva edición de Física universitaria. MÉXICO Fidel Castro López Guillermo Tenorio Estrada INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Jesús González Lemus ESIME Culhuacán Leticia Vera Pérez Luis Díaz Hernández María Del Rosario González Bañales Miguel Ángel Morales Mauricio Javier Zárate Sánchez Pedro Cervantes Omar Pérez Romero UPIICSA Raúl Nava Cervantes Amado F. García Ruiz UNITEC Campus Ecatepec Enrique Álvarez González Inocencio Medina Olivares Fabiola Martínez Zúñiga Julián Rangel Rangel Francisco Ramírez Torres Lorenzo Martínez Carrillo Garzón UPIITA Universidad Autónoma de la Ciudad de México Álvaro Gordillo Sol Alberto García Quiroz César Luna Muñoz Edith Mireya Vargas García Israel Reyes Ramírez Enrique Cruz Martínez Jesús Picazo Rojas Gerardo González García Jorge Fonseca Campos Gerardo Oseguera Peña INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES Verónica Puente Vera DE MONTERREY Víctor Julián Tapia García Campus Chihuahua Universidad Autónoma Metropolitana Francisco Espinoza Magaña Unidad Iztapalapa Silvia Prieto Michael Picquar Campus Ciudad de México Universidad Iberoamericana, Distrito Federal Luis Jaime Neri Vitela Abraham Vilchis Uribe Rosa María González Castellán Adolfo Genaro Finck Pastrana Víctor Francisco Robledo Rella Alfredo Sandoval Villalbazo Campus Cuernavaca Anabel Arrieta Ostos Crisanto Castillo Antonio Gen Mora Francisco Giles Hurtado Arturo Bailón Martínez Raúl Irena Estrada Carmen González Mesa Claudia Camacho Zúñiga Campus Culiacán Domitila González Patiño Juan Bernardo Castañeda Elsa Fabiola Vázquez Valencia Enrique Sánchez y Aguilera Campus Estado de México Enrique Téllez Fabiani Elena Gabriela Cabral Velázquez Erich Starke Fabris Elisabetta Crescio Esperanza Rojas Oropeza Francisco J. Delgado Cepeda Francisco Alejandro López Díaz Marcela Martha Villegas Garrido Guillermo Aguilar Hurtado Pedro Anguiano Rojas Guillermo Chacón Acosta Raúl Gómez Castillo Raúl Martínez Rosado Guillermo Fernández Anaya Sergio E. Martínez Casas Gustavo Eduardo Soto de la Vega Jaime Lázaro Klapp Escribano Campus Mazatlán Jimena Bravo Guerrero Carlos Mellado Osuna José Alfredo Heras Gómez Eusebio de Jesús Guevara Villegas José Fernando Pérez Godínez José Luis Morales Hernández Campus Monterrey Juan Cristóbal Cárdenas Oviedo Jorge Lomas Treviño Lorena Arias Montaño Campus Puebla María Alicia Mayela Ávila Martínez Abel Flores Amado María de Jesús Orozco Arellanes Idali Calderón Salas Mariano Bauer Ephrussi Mario Alberto Rodríguez Meza Campus Querétaro Rafael Rodríguez Domínguez Juan José Carracedo Rodolfo Fabián Estrada Guerrero Lázaro Barajas De La Torre Rodrigo Alberto Rincón Gómez Lucio López Cavazos Salvador Carrillo Moreno Silvia Patricia Ambrosio Cruz Campus Santa Fe Francisco Javier Hernández Universidad La Salle, Distrito Federal Martín Pérez Díaz Israel Wood Cano Norma Elizabeth Olvera UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec Facultad de Ciencias Antonio Silva Martínez Agustín Hernández Crispín Ramírez Martínez Agustín Pérez Contreras  Prefacio xv Aída Gutiérrez M. Josefina Becerril Téllez-Girón Alberto Sánchez Moreno M. Pilar Ortega Bernal Alejandro Padrón María Del Rayo Salinas Vázquez Álvaro Gámez Estrada Marta Rodríguez Pérez Andrea Luisa Aburto Mauro Cruz Morales Antonio Pacheco Natalia de la Torre Armando Pluma Paola B. González Aguirre Arturo F. Rodríguez Praxedis Israel Santamaría Mata Beatriz Eugenia Hernández Rodríguez Carlos Octavio Olvera Bermúdez Universidad Panamericana, México Edgar Raymundo López Téllez Rodolfo Cobos Téllez Elba Karen Sáenz García Universidad Autónoma de Chihuahua Eliseo Martínez Antonino Pérez Elizabeth Aguirre Maldonado Carlos de la Vega Enrique Villalobos Eduardo Benítez Read Espiridión Martínez Díaz Héctor Hernández Francisco Javier Rodríguez Gómez José Mora Ruacho Francisco Miguel Pérez Ramírez Juan Carlos Sáenz Carrasco Gabriel Jaramillo Morales Raúl Sandoval Jabalera Genaro Muñoz Hernández Ricardo Romero Centeno Gerardo Ovando Zúñiga Gerardo Solares Instituto Tecnológico de Chihuahua Guadalupe Aguilar Claudio González Tolentino Gustavo Contreras Mayén Manuel López Rodríguez Heriberto Aguilar Juárez Jaime García Ruiz Universidad Autónoma de Ciudad Juárez Javier Gutiérrez S. Sergio Flores Jesús Vicente González Sosa Mario Borunda José Carlos Rosete Álvarez Universidad La Salle Cuernavaca Juan Carlos Cedeño Vázquez Miguel Pinet Vázquez Juan Galindo Muñiz Juan Manuel Gil Pérez Instituto Tecnológico de Zacatepec Juan Ríos Hacha Fernando Pona Celón Lanzier Efraín Torres Ortiz Mateo Sixto Cortez Rodríguez Lourdes Del Carmen Pérez Salazar Nelson A. Mariaca Cárdenas Luis Andrés Suárez Hernández Ramiro Rodríguez Salgado Luis Eugenio Tejeda Calvillo Luis Flores Juárez Instituto Tecnológico de Querétaro Luis Humberto Soriano Sánchez Adrián Herrera Olalde Luis Javier Acosta Bernal Eleazar García García Luis Manuel León Rosano Joel Arzate Villanueva M. Alejandra Carmona Manuel Francisco Jiménez Morales M. Del Rosario Narvarte G. Manuel Sánchez Muñiz María Del Carmen Melo Marcela Juárez Ríos María Josefa Labrandero Mario Alberto Montante Garza Martín Bárcenas Escobar Máximo Pliego Díaz Nanzier Torres López Raúl Vargas Alba Oliverio Octavio Ortiz Olivera Instituto Tecnológico de Mazatlán Óscar Rafael San Román Gutiérrez Jesús Ernesto Gurrola Peña Patricia Goldstein Menache Ramón Santillán Ramírez Universidad de Occidente Unidad Culiacán Rigel Gámez Leal Luis Antonio Achoy Bustamante Salvador Villalobos Santiago Gómez López Víctor Manuel Sánchez Esquivel VENEZUELA Facultad de Estudios Superiores Zaragoza UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LAS Javier Ramos Salamanca FUERZAS ARMADAS (UNEFA), Maracay Zula Sandoval Villanueva Johnny Molleja Facultad de Química José Gómez Alicia Zarzosa Pérez Rubén León Carlos Rins Alonso UNIVERSIDAD BICENTENARIA DE ARAGUA (UBA), Maracay César Reyes Chávez Belkys Ramírez Emilio Orgaz Baque José Peralta Fernanda Adriana Camacho Alanís Hortensia Caballero López UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO (UCAB), Caracas Israel Santamaría Mata José Marino. Karla M. Díaz Gutiérrez Óscar Rodríguez M. Eugenia Ceballos Silva Rafael Degugliemo xvi Prefacio Agradecimientos Queremos agradecer a los cientos de revisores y colegas que han hecho comentarios y sugerencias valiosos durante la vida de este libro. El continuo éxito de Física univer- sitaria se debe en gran medida a sus contribuciones. Edward Adelson (Ohio State University), Ralph Alexander (University of Missouri at Rolla), J. G. Anderson, R. S. Anderson, Wayne Anderson (Sacramento City College), Alex Azima (Lansing Community College), Dilip Balamore (Nassau Community College), Harold Bale (University of North Dakota), Arun Bansil (Northeastern University), John Barach (Vanderbilt University), J. D. Barnett, H. H. Barschall, Albert Bartlett (University of Colorado), Paul Baum (CUNY, Queens College), Frederick Becchetti (University of Michigan), B. Bederson, David Bennum (University of Nevada, Reno), Lev I. Berger (San Diego State University), Robert Boeke (William Rainey Harper College), S. Borowitz, A. C. Braden, James Brooks (Boston University), Nicholas E. Brown (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), Tony Buffa (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), A. Capecelatro, Michael Cardamone (Pennsylvania State University), Duane Carmony (Purdue University), Troy Carter (UCLA), P. Catranides, John Cerne (SUNY at Buffalo), Roger Clapp (University of South Florida), William M. Cloud (Eastern Illinois University), Leonard Cohen (Drexel University), W. R. Coker (University of Texas, Austin), Malcolm D. Cole (University of Missouri at Rolla), H. Conrad, David Cook (Lawrence University), Gayl Cook (University of Colorado), Hans Courant (University of Minnesota), Bruce A. Craver (University of Dayton), Larry Curtis (University of Toledo), Jai Dahiya (Southeast Missouri State University), Steve Detweiler (University of Florida), George Dixon (Oklahoma State University), Donald S. Duncan, Boyd Edwards (West Virginia University), Robert Eisenstein (Carnegie Mellon University), Amy Emerson Missourn (Virginia Institute of Technology), William Faissler (Northeastern Univer- sity), William Fasnacht (U.S. Naval Academy), Paul Feldker (St. Louis Community College), Carlos Figueroa (Cabrillo College), L. H. Fisher, Neil Fletcher (Florida State University), Robert Folk, Peter Fong (Emory University), A. Lewis Ford (Texas A&M University), D. Frantszog, James R. Gaines (Ohio State University), Solomon Gartenhaus (Purdue University), Ron Gautreau (New Jersey Institute of Technology), J. David Gavenda (University of Texas, Austin), Dennis Gay (University of North Florida), James Gerhart (University of Washington), N. S. Gingrich, J. L. Glathart, S. Goodwin, Rich Gottfried (Frederick Community College), Walter S. Gray (University of Michigan), Paul Gresser (University of Maryland), Benjamin Grinstein (UC San Diego), Howard Grotch (Pennsylvania State University), John Gruber (San Jose State University), Graham D. Gutsche (U.S. Naval Academy), Michael J. Harrison (Michigan State University), Harold Hart (Western Illinois University), Howard Hayden (University of Connecticut), Carl Helrich (Goshen College), Laurent Hodges (Iowa State University), C. D. Hodgman, Michael Hones (Villanova University), Keith Honey (West Virginia Institute of Technology), Gregory Hood (Tidewater Community College), John Hubisz (North Carolina State University), M. Iona, John Jaszczak (Michigan Technical University), Alvin Jenkins (North Carolina State University), Robert P. Johnson (UC Santa Cruz), Lorella Jones (University of Illinois), John Karchek (GMI Engineering & Management Institute), Thomas Keil (Worcester Polytechnic Institute), Robert Kraemer (Carnegie Mellon University), Jean P. Krisch (University of Michigan), Robert A. Kromhout, Andrew Kunz (Marquette University), Charles Lane (Berry College), Thomas N. Lawrence (Texas State University), Robert J. Lee, Alfred Leitner (Rensselaer Polytechnic University), Gerald P. Lietz (De Paul University), Gordon Lind (Utah State University), S. Livingston, Elihu Lubkin (University of Wisconsin, Milwaukee), Robert Luke (Boise State University), David Lynch (Iowa State Univer- sity), Michael Lysak (San Bernardino Valley College), Jeffrey Mallow (Loyola University), Robert Mania (Kentucky State University), Robert Marchina (University of Memphis), David Markowitz (University of Connecticut), R. J. Maurer, Oren Maxwell (Florida International University), Joseph L. McCauley (University of Houston), T. K. McCubbin, Jr. (Pennsylvania State University), Charles McFarland (University of Missouri at Rolla), James Mcguire (Tulane University), Lawrence McIntyre (University of Arizona), Fredric Messing (Carnegie-Mellon University), Thomas Meyer (Texas A&M University), Andre Mirabelli (St. Peter’s College, New Jersey), Herbert Muether (S.U.N.Y., Stony Brook), Jack Munsee (California State University, Long Beach), Lorenzo Narducci (Drexel University), Van E. Neie (Purdue University), David A. Nordling (U. S. Naval Academy), Benedict Oh (Pennsylvania State University), L. O. Olsen, Jim Pannell (DeVry Institute of Technol- ogy), W. F. Parks (University of Missouri), Robert Paulson (California State University, Chico), Jerry Peacher (University of Missouri at Rolla), Arnold Perlmutter (University of Miami), Lennart Peterson (University of Florida), R. J. Peterson (University of Colorado, Boulder), R. Pinkston, Ronald Poling (University of Minnesota), J. G. Potter, C. W. Price (Millersville University), Francis Prosser (University of Kansas), Shelden H. Radin, Michael Rapport (Anne Arundel Community College), R. Resnick, James A. Richards, Jr., John S. Risley (North Carolina State University), Francesc Roig (University of California, Santa Barbara), T. L. Rokoske, Richard Roth (Eastern Michigan University), Carl Rotter (University of West Virginia), S. Clark Rowland (Andrews University), Rajarshi Roy (Georgia Institute of Technology), Russell A. Roy (Santa Fe Community College), Dhiraj Sardar (University of Texas, San Antonio), Bruce Schumm (UC Santa Cruz), Melvin Schwartz (St. John’s University), F. A. Scott, L. W. Seagondollar, Paul Shand (University of Northern Iowa), Stan Shepherd (Pennsylvania State University), Douglas Sherman (San Jose State), Bruce Sherwood (Carnegie Mellon University), Hugh Siefkin (Greenville College), Tomasz Skwarnicki (Syracuse University), C. P. Slichter, Charles W. Smith (University of Maine, Orono), Malcolm Smith (University of Lowell), Ross Spencer (Brigham Young University), Julien Sprott (University of Wisconsin), Victor Stanionis (Iona College), James Stith (American Institute of Physics), Chuck Stone (North Carolina A&T State University), Edward Strother (Florida Institute of Technology), Conley Stutz (Bradley University), Albert Stwertka (U.S. Merchant Marine Academy),  Prefacio xvii Martin Tiersten (CUNY, City College), David Toot (Alfred University), Somdev Tyagi (Drexel Uni- versity), F. Verbrugge, Helmut Vogel (Carnegie Mellon University), Robert Webb (Texas A & M), Thomas Weber (Iowa State University), M. Russell Wehr, (Pennsylvania State University), Robert Weidman (Michigan Technical University), Dan Whalen (UC San Diego), Lester V. Whitney, Thomas Wiggins (Pennsylvania State University), David Willey (University of Pittsburgh, Johnstown), George Williams (University of Utah), John Williams (Auburn University), Stanley Williams (Iowa State University), Jack Willis, Suzanne Willis (Northern Illinois University), Robert Wilson (San Bernardino Valley College), L. Wolfenstein, James Wood (Palm Beach Junior College), Lowell Wood (University of Houston), R. E. Worley, D. H. Ziebell (Manatee Community College), George O. Zimmerman (Boston University) Además, nos gustaría hacer algunos agradecimientos individuales. Quiero dar gracias de todo corazón a mis colegas de Carnegie Mellon, en especial a los profesores Robert Kraemer, Bruce Sherwood, Ruth Chabay, Helmut Vogel y Brian Quinn, por las muchas conversaciones estimulantes sobre pedagogía de la física y su apoyo y ánimo durante la escritura de las ediciones sucesivas de este libro. También estoy en deuda con las muchas generaciones de estudiantes de Carnegie Mellon que me ayudaron a aprender lo que es la buena enseñanza y la correcta escri- tura, al mostrarme lo que funciona y lo que no. Siempre es un gusto y un privilegio expresar mi gratitud a mi esposa Alice y nuestros hijos Gretchen y Rebecca por su amor, apoyo y sostén emocional durante la escritura de las distintas dediciones del libro. Que todos los hombres y mujeres sean bendecidos con un amor como el de ellos. — H.D.Y. Me gustaría agradecer a mis colegas del pasado y el presente en UCSB, incluyendo a Rob Geller, Carl Gwinn, Al Nash, Elisabeth Nicol y Francesc Roig, por su apoyo sincero y sus abundantes y útiles pláticas. Tengo una deuda de gratitud en especial con mis primeros maestros Willa Ramsay, Peter Zimmerman, William Little, Alan Schwettman y Dirk Walecka por mostrarme qué es una enseñanza clara y cautivadora de la física, y con Stuart Johnson por invitarme a ser coautor de Física Universitaria a partir de la novena edición. Quiero dar gracias en especial al equipo editorial de Addi- son Wesley y a sus socios: Adam Black por su visión editorial; Margot Otway por su gran sentido gráfico y cuidado en el desarrollo de esta edición; a Peter Murphy y Carol Reitz por la lectura cuidadosa del manuscrito; a Wayne Anderson, Charlie Hibbard, Laird Kramer y Larry Stookey por su trabajo en los problemas de final de capítulo; y a Laura Kenney, Chandrika Madhavan, Nancy Tabor y Pat McCutcheon por mantener el flujo editorial y de producción. Agradezco a mi padre por su continuo amor y apoyo y por conservar un espacio abierto en su biblioteca para este libro. Sobre todo, expreso mi gratitud y amor a mi esposa Caroline, a quien dedico mi contribución al libro. Hey, Caroline, al fin terminó la nueva edición. ¡Vámonos a volar! – R.A.F. Por favor, díganos lo que piensa… Son bienvenidos los comunicados de estudiantes y profesores, en especial sobre errores y deficiencias que encuentren en esta edición. Hemos dedicado mucho tiempo y esfuerzo a la escritura del mejor libro que hemos podido escribir, y esperamos que le ayude a enseñar y aprender física. A la vez, usted nos puede ayudar si nos hace saber qué es lo que necesita mejorarse… Por favor, siéntase en libertad para ponerse en contacto con nosotros por vía electrónica o por correo ordinario. Sus comentarios serán muy apreciados. Octubre de 2006 Hugh D. Young Roger A. Freedman Departamento de Física Departamento de Física Carnegie Mellon University University of California, Santa Barbara Pittsburgh, PA 15213 Santa Barbara, CA 93106-9530 [email protected] [email protected] http://www.physics.ucsb.edu/~airboy/ CONTENIDO ELECTROMAGNETISMO 25 CORRIENTE, RESISTENCIA Y FUERZA ELECTROMOTRIZ 846 21 CARGA ELÉCTRICA Y CAMPO ELÉCTRICO 709 25.1 25.2 Corriente eléctrica Resistividad 847 850 25.3 Resistencia 853 21.1 Carga eléctrica 710 25.4 Fuerza electromotriz y circuitos 857 21.2 Conductores, aislantes y cargas inducidas 713 25.5 Energía y potencia en circuitos eléctricos 863 21.3 Ley de Coulomb 716 *25.6 Teoría de la conducción metálica 867 21.4 El campo eléctrico y las fuerzas eléctricas 721 Resumen/Términos clave 871 21.5 Cálculos de campos eléctricos 727 Preguntas para análisis/Ejercicios 21.6 Líneas de campo eléctrico 733 Problemas 21.7 Dipolos eléctricos 735 Resumen/Términos clave 739 Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas 26 CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA 881 26.1 Resistores en serie y en paralelo 881 22 LEY DE GAUSS 750 26.2 26.3 Reglas de Kirchhoff Instrumentos de medición eléctrica 886 891 22.1 Carga y flujo eléctrico 750 26.4 Circuitos R-C 896 22.2 Cálculo del flujo eléctrico 753 26.5 Sistemas de distribución de energía 900 22.3 Ley de Gauss 757 Resumen/Términos clave 905 22.4 Aplicaciones de la ley de Gauss 761 Preguntas para análisis/Ejercicios 22.5 Cargas en conductores 767 Problemas Resumen/Términos clave 772 Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas 27 CAMPO MAGNÉTICO Y FUERZAS MAGNÉTICAS 916 23 POTENCIAL ELÉCTRICO 780 27.1 Magnetismo 916 27.2 Campo magnético 918 23.1 Energía potencial eléctrica 780 27.3 Líneas de campo magnético y 23.2 Potencial eléctrico 787 flujo magnético 922 23.3 Cálculo del potencial eléctrico 794 27.4 Movimiento de partículas cargadas 23.4 Superficies equipotenciales 798 en un campo magnético 925 23.5 Gradiente de potencial 801 27.5 Aplicaciones del movimiento de Resumen/Términos clave 804 partículas cargadas 929 Preguntas para análisis/Ejercicios 27.6 Fuerza magnética sobre un conductor Problemas que transporta corriente 932 27.7 Fuerza y par de torsión en una espira 24 CAPACITANCIA Y DIELÉCTRICOS 815 *27.8 de corriente El motor de corriente directa 935 941 24.1 Capacitores y capacitancia 816 *27.9 El Efecto Hall 943 24.2 Capacitores en serie y en paralelo 820 Resumen/Términos clave 945 24.3 Almacenamiento de energía en capacitores Preguntas para análisis/Ejercicios y energía de campo eléctrico 824 Problemas 24.4 Dieléctricos 828 *24.5 *24.6 Modelo molecular de la carga inducida La Ley de Gauss en los dieléctricos 833 835 28 FUENTES DE CAMPO MAGNÉTICO 957 Resumen/Términos clave 837 Preguntas para análisis/Ejercicios 28.1 Campo magnético de una carga Problemas en movimiento 957  Contenido xix 28.2 Campo magnético de un elemento 28.3 de corriente Campo magnético de un conductor 960 32 ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 1092 que transporta corriente 962 32.1 Ecuaciones de Maxwell y 28.4 Fuerza entre alambres paralelos 965 ondas electromagnéticas 1093 28.5 Campo magnético de una espira circular 32.2 Ondas electromagnéticas planas de corriente 967 y rapidez de la luz 1096 28.6 Ley de Ampère 969 32.3 Ondas electromagnéticas sinusoidales 1101 28.7 Aplicaciones de la ley de Ampère 973 32.4 Energía y cantidad de movimiento *28.8 Materiales magnéticos 976 de las ondas electromagnéticas 1106 Resumen/Términos clave 982 32.5 Ondas electromagnéticas estacionarias 1111 Preguntas para análisis/Ejercicios Resumen/Términos clave 1115 Problemas Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas 29 INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 993 29.1 Experimentos de inducción 994 29.2 Ley de Faraday 996 ÓPTICA 29.3 Ley de Lenz 1004 29.4 Fuerza electromotriz de movimiento 1006 29.5 *29.6 Campos eléctricos inducidos Corrientes parásitas 1008 1011 33 NATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ 1121 29.7 Corriente de desplazamiento y 33.1 La naturaleza de la luz 1121 ecuaciones de Maxwell 1013 33.2 Reflexión y refracción 1123 *29.8 Superconductividad 1017 33.3 Reflexión interna total 1129 Resumen/Términos clave 1019 *33.4 Dispersión 1132 Preguntas para análisis/Ejercicios 33.5 Polarización 1133 Problemas *33.6 Dispersión de la luz 1142 33.7 Principio de Huygens 1144 30 INDUCTANCIA 1030 Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios 1147 30.1 Inductancia mutua 1030 Problemas 30.2 Autoinductancia e inductores 1034 30.3 30.4 Energía del campo magnético El circuito R-L 1038 1041 34 ÓPTICA GEOMÉTRICA 1157 30.5 El circuito L-C 1045 34.1 Reflexión y refracción en una 30.6 El circuito L-R-C en serie 1049 superficie plana 1157 Resumen/Términos clave 1052 34.2 Reflexión en una superficie esférica 1161 Preguntas para análisis/Ejercicios 34.3 Refracción en una superficie esférica 1169 Problemas 34.4 Lentes delgadas 1174 34.5 Cámaras fotográficas 1182 31 CORRIENTE ALTERNA 1061 34.6 34.7 El ojo La lente de aumento 1185 1189 31.1 Fasores y corrientes alternas 1061 34.8 Microscopios y telescopios 1191 31.2 Resistencia y reactancia 1064 Resumen/Términos clave 1196 31.3 El circuito L-R-C en serie 1070 Preguntas para análisis/Ejercicios 31.4 Potencia en circuitos de corriente Problemas alterna 1074 31.5 Resonancia en los circuitos de corriente alterna 1077 35 INTERFERENCIA 1207 31.6 Transformadores 1080 35.1 Interferencia y fuentes coherentes 1208 Resumen/Términos clave 1084 35.2 Interferencia de la luz procedente Preguntas para análisis/Ejercicios de dos fuentes 1211 Problemas xx Contenido 35.3 La intensidad en los patrones 38.5 El modelo de Bohr 1322 de interferencia 1214 38.6 El láser 1327 35.4 Interferencia en películas delgadas 1218 38.7 Producción y dispersión de rayos x 1330 35.5 El interferómetro de Michelson 1224 38.8 Espectros continuos 1334 Resumen/Términos clave 1227 38.9 Dualidad onda-partícula 1338 Preguntas para análisis/Ejercicios Resumen/Términos clave 1340 Problemas Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas 36 DIFRACCIÓN 1234 36.1 36.2 Difracción de Fresnel y Fraunhofer Difracción desde una sola ranura 1235 1236 39 LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LAS PARTÍCULAS 1349 36.3 Intensidad en el patrón de una sola ranura 1239 39.1 Ondas de De Broglie 1350 36.4 Ranuras múltiples 1243 39.2 Difracción de electrones 1352 36.5 Rejilla de difracción 1246 39.3 Probabilidad e incertidumbre 1355 36.6 Difracción de rayos x 1250 39.4 El microscopio electrónico 1360 36.7 Aberturas circulares y poder de 39.5 Funciones de onda y la ecuación resolución 1253 de Schrödinger 1361 *36.8 Holografía 1256 Resumen/Términos clave 1368 Resumen/Términos clave 1259 Preguntas para análisis/Ejercicios Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas Problemas 40 MECÁNICA CUÁNTICA 1375 40.1 Partícula en una caja 1375 FÍSICA MODERNA 40.2 Pozos de potencial 1380 40.3 Barreras de potencial y tunelamiento 1384 37 RELATIVIDAD 1268 40.4 40.5 El oscilador armónico Problemas tridimensionales 1387 1392 37.1 Invariabilidad de las leyes físicas 1268 Resumen/Términos clave 1394 37.2 Relatividad de la simultaneidad 1272 Preguntas para análisis/Ejercicios 37.3 Relatividad de los intervalos de tiempo 1274 Problemas 37.4 Relatividad de la longitud 1278 37.5 *37.6 Transformaciones de Lorentz Efecto Doppler en ondas 1283 41 ESTRUCTURA ATÓMICA 1401 electromagnéticas 1287 41.1 El átomo de hidrógeno 1401 37.7 Cantidad de movimiento relativista 1289 41.2 El efecto Zeeman 1409 37.8 Trabajo y energía relativistas 1292 41.3 Espín del electrón 1413 37.9 Mecánica newtoniana y relatividad 1295 41.4 Átomos con muchos electrones Resumen/Términos clave 1298 y el principio de exclusión 1417 Preguntas para análisis/Ejercicios 41.5 Espectros de rayos x 1423 Problemas Resumen/Términos clave 1427 Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas 38 FOTONES, ELECTRONES Y ÁTOMOS 1307 38.1 38.2 Emisión y absorción de la luz El efecto fotoeléctrico 1307 1309 42 MOLÉCULAS Y MATERIA CONDENSADA 1433 38.3 Espectros atómicos de líneas y niveles 42.1 Clases de enlaces moleculares 1433 de energía 1314 42.2 Espectros moleculares 1436 38.4 El átomo nuclear 1319 42.3 Estructura de los sólidos 1441  Contenido xxi 42.4 Bandas de energía 1445 42.5 Modelo de electrones libres para los metales 1447 44 FÍSICA DE PARTÍCULAS Y COSMOLOGÍA 1509 42.6 Semiconductores 1452 44.1 Las partículas fundamentales y su historia 1509 42.7 Dispositivos con semiconductores 1455 44.2 Aceleradores y detectores de partículas 1514 42.8 Superconductividad 1460 44.3 Partículas e interacciones 1519 Resumen/Términos clave 1461 44.4 Los quarks y las ocho maneras 1525 Preguntas para análisis/Ejercicios 44.5 El modelo estándar y más allá 1530 Problemas 44.6 El Universo en expansión 1532 44.7 El principio del tiempo 1538 43 FÍSICA NUCLEAR 1468 Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios 1547 43.1 Propiedades de los núcleos 1468 Problemas 43.2 Enlace nuclear y estructura nuclear 1473 43.3 Estabilidad nuclear y radiactividad 1478 43.4 Actividades y vidas medias 1485 Apéndices A-1 43.5 Efectos biológicos de la radiación 1489 43.6 Reacciones nucleares 1492 Respuestas a los problemas con número impar A-9 43.7 Fisión nuclear 1494 43.8 Fusión nuclear 1498 Créditos de fotografías C-1 Resumen/Términos clave 1502 Índice I-1 Preguntas para análisis/Ejercicios Problemas  CARGA ELÉCTRICA Y CAMPO ELÉCTRICO 21 METAS DE APRENDIZAJE Al estudiar este capítulo, ?El agua hace posible usted aprenderá: la vida. Las células de La naturaleza de la carga eléctrica su cuerpo no podrían y cómo sabemos que ésta se funcionar sin agua