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- CONTENIDO MECÁNICA 3.5 Velocidad relativa 101 ResumenITérminos clave 107 Preguntas para análisislEjercicioslProblemas 109 1 UNIDADES, CANTIDADES 4 LEYES DEL MOVIMIENTO FÍSICAS Y VECTORES 1 DENEWTON 119 l.l La naturaleza de la física 2 1.2 Cómo resolver problemas en fislea 3 4.1 Fuerza e interacci...

Description

-

CONTENIDO MECÁNICA

1 l.l

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10

UNIDADES, CANTIDADES FÍSICAS Y VECTORES La naturaleza de la física Cómo resolver problemas en fislea Estándares y unidades

Consistencia y conversiones de unidades Incertidumbre y cifras significativas Estimaciones y órdenes de magnitud Vectores y suma de vectores Componentes de vectores

VeclOres unitarios Productos de vectores

ResumenfTérminos clave Preguntas para análisisIEjercicioslProblemas

2 MOVIMIENTO EN LÍNEA RECTA 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Desplazamiento, tiempo y velocidad media Velocidad instanlánea Aceleración media e instantánea Movimiento con aceleración constante Cuerpos en caída libre ·2.6 Velocidad y posición por integración ResumenfTérminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

xvi

3.5

1 2 3 5 8 10 13 14 18 23 24 31 33

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

LEYES DEL MOVIMIENTO DENEWTON

101 107 109

119

Fuerza e interacciones 120 Primera ley de Newton 124 Segunda ley de ewtnn 128 Masa y peso 135 Tercera ley de Newton 138 Diagramas de cuerpo libre 143 ResumenITénninos clave 145 Preguntas para análisislEjercicioslProblemas 147

DE LAS S APLICACIÓN LEYES DE NEWTON Empleo de la primera ley de Newton: particulas en equilibrio 5.2 Empleo de la segunda ley de Newton: dinámica de partículas 5.3 Fuerzas de fricción 5.4 Dinámica del movimiento circular ·5.5 Fuerzas fundamentales de la Naturaleza RcsumenITérminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

153

5.1

40 41 44 47 52 58 62 66 68

6

EN DOS 3 MOVIMIENTO O TRES DIMENSIONES

78

3.1 3.2 3.3 3.4

79 82 87 98

Vectores de posición y velocidad El vector aceleración Movl1niento de proyectiles Movimiento en un circulo

4

Velocidad relativa ResumenITérminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

6.1 6.2 6.3 6.4

TRABAJO Y ENERGÍA CINÉTICA Trabajo Trabajo y energia cinética Trabajo y energia con fuerzas variables Potencia Resumenrrérminos clave Preguntas para análisislEjerciciosIProblemas

154 161 171 181 188 190 192

207 208 213 220 227 230 2J2

,

xvii

CONTENIDO

7 7.1 7.2 7.3 7.4

7.5

10.3

ENERGÍA POTENCIAL y CONSERVACIÓ DE LA ENERGÍA Energía potencial gravitacional Energía potencial elástica Fuerzas conservativas y no conservativas Fuerza y energía potencial Diagramas de energía

10.4

241 242 253 260 265 268 271

10.5

10.6 10.7

Rotación de un cuerpo rígido sobre un eje móvil Trabajo y potencia en movimiento rotacional Cantidad de movimiento angular Conservación de la cantidad de movimiento angular Giróscopos y precesión Resumenffénninos clave

370

377 379

382 386 390 Preguntas para análisislEjerciciosIProblemas 392

ResumenfTénninos clave Preguntas para amilisislEjercicioslProblemas 273

8

11 CANTIDAD DE MOVIMIENTO, 282 IMPULSO Y CHOQUES

Cantidad de movimiento e impulso Conservación de la cantidad de movimiento 8.3 Choques inelásticos 8.4 Choques elásticos 8.5 Centro de masa ·8.6 Propulsión a reacción ReswnenITerminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProbkmas 8.1 8.2

9

283 289 295 300

306 3ll 314 316

Velocidad y aceleración angulares Rotación con aceleración angular constante 9.3 Relación entre cinemática lineal y angular 9.4 Energía en el movimiento rotacional 9.5 Teorema de los ejes paralelos ·9.6 Cálculos de momento de inercia ResumenITérminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas 9.1 9.2

327 328 333 335 339 345 347 350 352

Condiciones del equilibrio Centro de gravedad Resolución de problemas de equilibrio de cuerpos rígidos 11.4 Esfuerzo, tensión y módulos de elasticidad 11.5 Elasticidad y plasticidad ResumenITénninos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas 11.1

10.1 10.2

DINÁMICA DEL MOVIMIENTO ROTACIONAL Momenlo de torsión Momento de torsión y aceleración angular de un cuerpo rígido

361 362 365

GRAVITACIÓN

Ley de la gravitación de Newton Peso Energía potencial gravitacional Movimiento de satélites Las leyes de Kepler y el movimiento de los planetas ·12.6 Distribuciones esféricas de masa ·12.7 Peso aparente y rotación terrestre 12.8 Agujeros negros ReswnenfTérminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

13 10

404

11.2 11.3

12 ROTACIÓN DE CUERPOS RÍGIDOS

EQUILIBRIO Y ELASTICIDAD

MOVIMlENTO PERIÓDICO

Descripción de la oscilación Movimienlo annónico simple Energía en el movimiento armónico simple 13.4 Aplicaciones del movimiento armónico simple

13.1 13.2 13.3

405 406 409 414 420 422 424

436 437 441 444 447 452 456 459 461 465 467

476 471 478 486 490

xviii

CONTENIDO

13.5 13.6 13.7 13.8

El péndulo simple El péndulo fisico Oscilaciones amortiguadas Oscilaciones forzadas y resonancia Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/EjerciciosiProblemas

495 496 499 502

16.8 "'16.9

621 627 631 633

El efecto Doppler Ondas de choque Resumen/Términos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

504

506

TERMODINÁMICA

14 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 *14.6

MECÁNICA DE FLUIDOS

515

Densidad 515 Presión en un fluido 517 Flotación 523 Flujo de fluidos 526 Ecuación de Bernoulli 528 Viscosidad y turbulencia 533 Resumen/Ténninos clave 536 Preguntas para análisislEjercicios/Problemas 538

ONDAS/ACÚSTICA

15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8

16

ONDAS MECÁNICAS Tipos de ondas mecánicas Ondas periódicas Descripción matemática de una onda Rapidez de una onda transversal Energía del movimiento ondulatorio Interferencia de ondas, condiciones de frontera y superposicion Ondas estacionarias en una cuerda Modos normales de una cuerda Resumen!Términos clave Preguntas para análisislEjercicios/Problemas

547 548 549 552 559 564

640 641 642 644 646 652

Temperatura y equilibrio térmico Termómetros y escalas de temperatura Termómetros de gas y la escala Kelvin Expansión térmica 17.5 Cantidad de calor 17.6 Calorimetría y cambios de fase 17.7 Mecanismos de transferencia de calor Resumen/Términos clave Preguntas para análisisiEjerciciosIProblemas 17.1 17.2 17.3 17.4

18 18.1 18.2 18.3 18.4 "'18.5 18.6

567

PROPIEDADES TÉRNlICi\S DE LA MATERIA

657

663 671

673

684 685 692 694 702 706 708 712 714

Ecuaciones de estado Propiedades moleculares de la materia Modelo cinético-molecular del gas ideal Capacidades caloríficas Rapideces moleculares Fases de la materia Resumen/Ténninos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

570 575

580 582

SONIDO Y EL OÍDO

59I

Ondas sonoras Rapidez de las ondas sonoras Intensidad del sonido Ondas sonoras estacionarias y modos normales 16.5 Resonancia 16.6 1nterferencia de ondas 16.7 Pulsaciones

592 597 602

16.1 16.2 16.3 16.4

17 TEMPERATURA Y CALOR

608 614 616 619

19 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

723

Sistemas termodinámicos Trabajo realizado al cambiar el volumen Trayectorias entre estados termodinámicos Energía interna y la primera ley de la termodinámica Tipos de procesos termodinámicos Energía interna del gas ideal Capacidad calorífica del gas ideal Procesos ｡､ｩ ｢￡ｴｩｾｯｳ para el gas ideal Resumen/Ténninos clave Preguntas para análisislEjercicios/Problemas

723

725 728

729 735 737 738 741 745 747

CONTENIDO

20

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

754

Dirección de los procesos termodinámicos Máquinas de calor Motores de combustión interna 20.4 Refrigeradores 20.5 La segunda ley de la termodinámica 20.6 El ciclo de Carnol 20.7 Entropía *20.8 Interpretación microscópica de la entropía Resumentrénninos clave Preguntas para análisislEjerciciosIProblemas 20.1 20.2 20.3

755 756 759 761 764 766 773 779 783 785

21.1

Carga eléctrica

24

24.4 *24.5 *24.6

CARGA ELíCTRlCA y CAMPO ELíCTRTCO

POTENCIAL ElíCTRICO

23.1 Energía potencia! eléctrica 23.2 Potencial eléctrico 23.3 Cálculo del potencial eléctrico 23.4 Superficies equipotenciales 23.5 Gradiente de potencial Resumenrrérminos clave Preguntas para análisislEjerciciosiProblemas

24.1 24.2 24.3

ELECTROMAGNETISMO

21

23

792 79J

CAPACITANCIA Y D1ELíCTRICOS Capacitares y capacitancia Capacitores en serie y en paralelo Almacenamiento de energía en capacitares y energía de campo eléctrico Dieléctricos Modelo molecular de la carga inducida La ley de Gauss en los dieléctricos ResumenITérminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

xix 869 870 878 885 890 893 896 898

908 909 914 918 922 928 930 932 934

21.2 Conductores, aisladores y cargas 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7

22 22.1 22.2

22.3 22.4 22.5

nucleares Ley de Coulomb Campo eléctrico y fuerzas eléctricas Cálculos de campos eléctricos Lineas de campo eléctrico Dipolos eléctricos ResumenITénninos clave Preguntas para análisisiEjercicios!Problemas

LEYDEGAUSS Carga y flujo eléctrico Cálculo del flujo eléctrico Ley Gauss Aplicaciones de la ley de Gauss Cargas en conductores ResumenITénninos clave Preguntas para análisis/EjercicioslProblemas

797 800

805 811

25

818 820 825 827

25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 *25.6

836

CORRIENTE, RESISTENCIA Y FUERZA ELECTROMOTRIZ 942 Corriente eléctrica Resistividad Resistancia Fuerza electromotriz y circuilOs Energía y potencia en circuitos electrícos Teoría de la conduccíón metálica ResumenfTérminos clave Preguntas para análisis!Ejercicios!Problemas

943 947 950 955 962 966 970 972

837

840 844 848 855 860 862

26 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5

CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA 980 Resistores en serie yen paralelo Reglas de Kirchhoff Instrumentos de medición eléctrica Circuitos R-C Sistemas de distribución de energía Resumenrrérminos elave Preguntas para análisislEjerciciosIProblemas

981 986 992 997 1002 1007 1009

/

7

CONTENIDO

)()(

27

29.7

CAMPO MAGNÉTICO Y FUERZAS MAGNÉTICAS

1019

*29.8

1020

27.1 Magnetismo 27.2 Campo magnético

1022

Líneas de campo magnético y flujo magnético 27.4 Movimiento de partículas con carga en un campo magnético 27.5 Aplicaciones del movimiento

Corriente de desplazamiento y ecuaciones de Maxwell Superconductividad ResumenfTérminos clave Preguntas para análisisfEjerciciosIProblemas

1128 1133 1135 1137

27.3

1025

1029 1033

de partículas con carga 27.6 Fuerza magnética sobre un conductor 27.7

·27.8 27.9

28 28.1 28.2 28.3

1036

que transporta corriente Fuerza y momento de torsión en una espira de corriente El motor de corriente continua Efecto Hall Resumenfférminos clave

1039 1046 1048 1051 Preguntas para análisis/EjerciciosIProblemas 1053

28.6 28.7 *28.8

30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 30.6

31 FUENTES DE CAMPO MAGNÉTICO

31.1

1064

31.2

31.3

Campo magnético de una carga en movimiento

1065

Campo magnético de un elemento de corriente Campo magnético de un conductor

1068

recto que transporta corriente 28.4 28.5

30

Fuerza entre conductores paralelos Campo magnético de una espira circular de corriente Ley de Ampere Aplicaciones de la ley de Ampere Materiales magnéticos ResumenfTérminos clave Preguntas para análisislEjerciciosIProblemas

31.4

31.5 31.6

1071 1074 1076 1079 1082 1086 1093 1095

32 32.1 32.2

29 29.1

29.2 29.3 29.4 29.5 *29.6

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Experimentos de inducción Ley de Faraday Ley de Lenz Fuerza electromotriz de movimiento Campos eléctricos inducidos Corrientes parásitas

32.3 32.4

110S 1106 1108 1118 1120 1123 1126

32.5 32.6

1NDUCTANCIA

1147

Inductancia mutua Autoinductancia e inductores Energía de campo magnético El circuito R-L El circuito L-C El circuito L-R-C en serie ResumenfTérminos clave Preguntas para análisislEjercicios/Problemas

CORRIENTE ALTERNA

1181

Fasores y corriente alterna Resistencia y reactancia El circuito L-R-C en serie Potencia en circuitos de corriente alterna Resonancia en circuitos de corriente alterna Transformadores ResumenfTérminos clave Preguntas para análisis!EjerciciosIProblemas

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

1148 1151 1156 1159 1164 1168 1171 1173

1182 1184 1190 1195 1198 1201 1205 1207

1214

Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas Ondas electromagnéticas planas y rapidez de la luz Ondas electromagnéticas sinusoidales Energía y cantidad de movimiento de las ondas electromagnéticas Ondas electromagnéticas estacionarias El espectro electromagnético ResumenfTérminos clave Preguntas para análisis/EjerciciosIProblemas

1215 1217 1223 1228 1234 1238 1240 1242

xxi

CONTENIDO

ÓPTICA

33 33.1 33.2 33.3

NATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ 1247 Naturaleza de la luz Rc:f1exi6n y refracción Reflexión interna total

·33.4 Dispersión 33.5

1248 1250 1256

1262

·33.6 Dispersión luminosa 33.7 Principio de Huygens

1270

1271 ResumenITérminos clave 1275 Preguntas para análisisIEjercicioslProblemas 1277

34.1 34.2 34.3 34.4 34.5

ÓPTICA GEOMÉTRICA E INSTRUMENTOS ÓPTICOS

1286 1289 1299

Lentes delgadas

1304

34.6 El ojo 34.7

1285

Reflexión y refracción en una superficie plana Reflexión en una superficie esférica Refracción en una superficie esférica Cámaras fotográficas

1313

1317

La lente de aumento

1321

34.8 Microscopios y telescopios

1322

ResumenITérminos clave 1327 Preguntas para análisis/EjerciciosIProblemas 1329

3S 35.\

INTERFERENCIA

1338

Interferencia y fuentes coherentes

1339 1342 Intensidad en los patrones de interferencia 1346 Interferencia en peliculas finas 1350 IntetfeTÓmetro de Michelson 1356 ResumenfTérminos clave 1359 Preguntas para análisislEjercicioslProblemas 1361

3S.2 Interferencia de luz de dos fuentes 35.3 35.4 35.5

36 36.1 36.2

DIfRACCIÓN Difracción de Fresnel y de Fraunhofer Difracción desde una sola ranura

Intensidad en el patrón de una sola ranura Ranuras mtiltiples Rejilla de difracción Difracción de rayos X Aberturas circulares y poder resolutivo Holografía ResumenfTénninos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

1373 1377 1379 1383 1386 1390 1393 1395

1259

Polarización

34

36.3 36.4 36.5 36.6 36.7 -36.8

1367 1368 1369

FÍSICA MODERNA

37

RELATIVIDAD

1403

37.1 Invariabilidad de las leyes fisicas 37.2 Relatividad de la simultaneidad 37.3 Relatividad de los intervalos de tiempo 37.4 Relatividad de la longitud 37.5 Transfonnación de Lorentz -37.6 Efecto Doppler de ondas electromagnéticas 37.7 Cantidad de movimiento relativista 37.8 Trabajo y energía relativistas 37.9 Mecánica newtoniana y relatividad ResumenfTérminos clave Preguntas para análisislEjercicioslProblemas

1404 1407 1409 1414 1419 1423 1426 1429 1433 1435 1437

APÉNDICES A Sistema internacional de unidades B Relaciones matemáticas útiles C El alfabeto griego D Tabla periódica de los elementos E Factores de conversión de unidades F Constantes numéricas Respuestas a los problemas impares Créditos fotográficos ¡ndice

Al

A3 A4

AS A6 A7 A9

Al'

A23

UNIDADES, CANTIDADES FÍSICAS Y VECTORES en las mediciones es indis· La ･ｾ｡｣ｴｩｬｵ､ pensable en las aplicaciones médicas de la fisica. Los rayos láser que inciden sobre esta paciente con cáncer marcan el sitio de un rumor. el cual se bombardea entonces con un haz de neutrones de alra. energía proveniente de la abenura cuadrada de la derecha. Los neutrones deposilan su energía en el rumor. detienen su crecimienlo y. en el caso ideal. lo destruyen lotalmentc. Dado que el angosto haz de neulrones está dirigido con gran exactitud. los tejidos saludables que rodean al tumor prácticamente no sufren ､｡ｾｯｳＮ

las partículas subatómicas empleadas en la terapia contra el cáncer se pueden dirigir con una exactitud de 100 micras. ¿Cuántos glóbulos sanguíneos humanos en fila cubrirlan esa distancia? • Por qué estud.iar física? Por dos motivos. Uno es porque la física es una de las ¿ciencias más fundamentales. Los científicos de todas las disciplinas aplican las ideas de la física, desde los químicos quienes estudian la estructura de las moléculas hasta los paleontólogos quienes tratan de reconstruir la forma de andar de los dinosaurios. Los principios de la física desempeñan un papel fundamental

en el esfuerzo científico por entender cómo las actividades humanas afectan a la atmósfera y a los océanos, y en la búsqueda de otras fuentes alternas de energía. También, la física es la base de loda la ingenieria y la tecnología. Ningún ingeniero podría diseñar un dispositivo practico, sin anles entender sus principios básicos. No seria posible diseñar un reproductor de DVD. un televisor de pantalla plana, una nave interplanetaria ni tan siquiera una mejor ratonera. sin anres haber entendido las leyes básicas de la fisica. Pero hay otra razón. El estudio de la física es una avenrura que el lector encon· trará estimulante. a veces frustrante y en ocasiones dolorosa, pero con fTecuencia proporcionará abundantes beneficios y satisfacciones. La física despertará en usted su sentido de 10 bello, así como su inteligencia racional. Lo que COllocemos del mundo fisico se basa en los cimientos establecidos por gigantes como Galileo. Newton, Max\\'ell y Einstein, cuya influencia se ha extendido más allá de la cien· cia para afectar profundamenle las fonnas en que vivimos y pensamos. El lector podrá compartir la emoción de esos descubrimientos cuando aprenda a usar la fi·

1

2

e A P fTu L o 1

1

Unidades. canlidades físicas y vectores

sica para resolver problemas prácticos y entender los fenómenos cotidianos. Si alguna vez se ha preb'Untado por qué el cielo es azul, cómo pueden viajar las ondas de radio por el espacio, o cómo un satélite pcnnanece en órbita...