FÍSICA CONCEPTUAL HEWITT-12 EDICIÓN PDF

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CONCEPTUAL Decimosegunda edición CONCEPTUAL CONCEPTUAL Decimosegunda edición escrito e ilustrado por Paul G. Hewitt City College of San Francisco TRADUCCIÓN TRADUCCIÓN Víctor Campos Olguín Traductor Traductor profesional profesional REVISIÓN REVISIÓN TÉCNICA TÉCNICA Guillermo Alberto Govea Anaya San...

Description

CONCEPTUAL

Decimosegunda edición

CONCEPTUAL

CONCEPTUAL

Decimosegunda edición escrito e ilustrado por

Paul G. Hewitt

City College of San Francisco

TRADUCCIÓN TRADUCCIÓN

Víctor Campos Olguín Traductor Traductor profesional profesional REVISIÓN REVISIÓN TÉCNICA TÉCNICA

Guillermo Alberto Govea Anaya Universidad Universidad Nacional Nacional Autónoma Autónoma de de México México

Sandra Lilia Castillo Flores

Instituto Instituto Tecnológico Tecnológico de de Estudios Estudios Superiores Superiores Campus Aguascalientes Campus Aguascalientes

Elías Loyola Campos Universidad Universidad Panamericana Panamericana Campus Campus Bonaterra Bonaterra

Datos de catalogación Autor: Paul G. Hewitt Física conceptual 12ª edición Pearson Educación de México, S.A. de C.V., México, 2016 ISBN: 978-607-32-3822-9 Área: Bachillerato / Ciencias Formato: 21 x 27 cm

Páginas: 816

Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada CONCEPTUAL PHYSICS, por PAUL G. HEWITT, publicada por Pearson Education, Inc., y otras afiliaciones. Copyright © 2015. Todos los derechos reservados. Authorized translation from the U. S. English language edition, entitled CONCEPTUAL PHYSICS, by PAUL G. HEWITT, Copyright © 2015. Published by Pearson Education Inc., or its affiliates. Used by permission. All Rights Reserved. ISBN 13: 978-0-321-90910-7 Esta edición en español es la única autorizada para ser publicada por Pearson Educación de México S.A. de C.V. Copyright © 2016. Pearson Education, Inc., y otras afiliaciones.

Edición en inglés • Publisher: Jim Smith • Project Manager: Chandrika Madhavan • Assistant Editor: Kyle Doctor • Marketing Manager: Will Smith • Program Manager: Mary O’Connell • Senior Content Producer: Kate Brayton • Production Service and Composition: Cenveo® Publisher Services • Project Manager, Production Service: Cindy Johnson • Copyeditor: Carol Reitz • Design Manager: Derek Bacchus • Text Design: Tamara Newnam • Cover Designer: Tamara Newnam • Illustrations: Rolin Graphics, Inc. • Photo Researcher: Stephen Merland, PreMediaGlobal • Image Lead: Maya Melenchuk • Manufacturing Buyer: Jeffrey Sargent • Printer and Binder: Courier/Kendallville • Cover Printer: Lehigh/Phoenix • Cover Photo Credit: Top Seller/Shutterstock

FÍSICA CONCEPTUAL Decimosegunda edición en español • Director general: Sergio Fonseca • Director de innovación y servicios educativos: Alan David Palau • Gerente de contenidos y servicios editoriales: Jorge Luis Íñiguez • Gerente de arte y diseño: Asbel Ramírez • Coordinadora de contenidos de bachillerato y custom: Lilia Moreno • Especialista de contenidos de aprendizaje: Berenice Torruco • Coordinadora de arte y diseño: Mónica Galván • Supervisor de arte y diseño: Timoteo Eliosa • Supervisora de desarrollo: Olga Sánchez • Correctora de estilo: Elia Olvera • Composición y diagramación: Carácter tipográfico • Lectores de pruebas: Javier García, Nelly Godoy, Teresa Parra Contacto:

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DECIMOSEGUNDA EDICIÓN, 2016 D.R. © 2016 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Avenida Antonio Dovalí Jaime Núm. 70 Torre B, Piso 6, Colonia Zedec Ed. Plaza Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón, Ciudad de México, CP 01210. Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. Núm. 1031 ISBN LIBRO IMPRESO: 978-607-32-3822-9 ISBN E-BOOK: 978-607-32-3818-2

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.

Para mis nietos, Manuel, Marie, Kara, Alexander, Megan, Grace, y Emily y para todos los estudiantes que luchan por aprender física.

Contenido breve Para el estudiante

xvi

Para el instructor

xvii

1 Acerca de la ciencia PARTE UNO

Mecánica 2 Primera ley de Newton de movimiento: inercia 3 Movimiento lineal 4 Segunda ley de Newton de movimiento 5 Tercera ley de Newton de movimiento 6 Cantidad de movimiento 7 Energía 8 Movimiento rotacional 9 Gravedad 10 Movimiento de proyectiles y satélites PARTE DOS

Propiedades de la materia 11 12 13 14

La naturaleza atómica de la materia Sólidos Líquidos Gases

PARTE TRES

Calor 15 16 17 18

Temperatura, calor y expansión Transferencia de calor Cambio de fase Termodinámica

PARTE CUATRO

Sonido

19 Vibraciones y ondas 20 Sonido 21 Sonidos musicales

2

19 20 39 57 74 90 109 132 160 182

207 208 226 244 264

283 284 302 320 336

PARTE CINCO

Electricidad y magnetismo 22 23 24 25

Electrostática Corriente eléctrica Magnetismo Inducción electromagnética

PARTE SEIS

Luz 26 27 28 29 30 31

PARTE SIETE

Físicas atómica y nuclear 32 El átomo y el cuanto 33 El núcleo atómico y la radiactividad 34 Fisión y fusión nucleares PARTE OCHO

Relatividad 35 Teoría de la relatividad especial 36 Teoría de la relatividad general

A P É N D IC E A P É N D IC E A P É N D IC E A P É N D IC E

355 356 374 391

A Sobre la medición

y la conversión de unidades B Más sobre el movimiento C Elaboración de gráficas D Aplicaciones de los vectores E Crecimiento exponencial y tiempo de duplicación

486 504 519 544 562 582

601 602 615 637

657 658 686 703 709 713 716 719

RESPUESTAS A PROBLEMAS C O N N Ú M E RO IM P A R G L O S A R IO C R É D IT O S ÍN D IC E

vi

406 430 452 469

485

Propiedades de la luz Color Reflexión y refracción Ondas de luz Emisión de luz Cuantos de luz

A P É N D IC E

405

S-1 G-1 C-1 I-1

Contenido Álbum fotográfico de Física conceptual Para el estudiante Para el instructor Agradecimientos

1 Acerca de la ciencia 1.1

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

3 Cómo Eratóstenes midió el tamaño de la Tierra 3 Tamaño de la Luna 4 Distancia a la Luna 5 Distancia al Sol 6 Tamaño del Sol 7 Matemáticas: el lenguaje de la ciencia 8 Métodos científicos 8 La actitud científica 8 Ciencia, arte y religión 12 PSEUDOCIENCIA 13 Ciencia y tecnología 14 VALORACIÓN DEL RIESGO 14 Física: la ciencia básica 15 En perspectiva 16

Mecánica 2 Primera ley de Newton

2.3 2.4 2.5

PRACTICANDO LA FÍSICA 2.6 2.7 2.8

3.1 3.2

3.3

Velocidad Velocidad constante Velocidad variable

3.4

Aceleración Aceleración sobre los planos inclinados de Galileo

3.5

Caída libre Qué tan rápido Qué tan lejos TIEMPO “DE VUELO”

Qué tan rápido cambia el “qué tan rápido”

Vectores de velocidad

4 Segunda ley de Newton

de movimiento

4.1

21 Copérnico y la Tierra en movimiento 22 ARISTÓTELES (384-322 a. C.) 23 Los experimentos de Galileo 23 La torre inclinada 23 Planos inclinados 23 GALILEO GALILEI (1564-1642) 24 Primera ley de Newton de movimiento 26 ENSAYO PERSONAL 27 Fuerza neta y vectores 28 Vectores de fuerza 29 La regla del equilibrio 30

4.3

Aristóteles en movimiento

El movimiento es relativo Rapidez Rapidez instantánea Rapidez promedio

3.6

19

Fuerza de sostén Equilibrio de cosas en movimiento La Tierra en movimiento

3 Movimiento lineal

20

de movimiento: inercia

2.2

2

Mediciones científicas

PARTE UNO

2.1

xiv xvi xvii xxi

4.2

4.4 4.5 4.6

40 41 41 41 42 43 43 43 45 46 46 48 50 50 51

57

58 59 61 La masa resiste la aceleración 63 Segunda ley de Newton de movimiento 63 Cuando la aceleración es g: caída libre 64 Cuando la aceleración es menor que g: caída no libre 65

de movimiento

5.2

39

La fuerza causa aceleración Fricción Masa y peso

5 Tercera ley de Newton 5.1

31 32 32 33

Fuerzas e interacciones Tercera ley de Newton de movimiento Define tu sistema

74 75 76 77 vii

viii

CONTENIDO

5.3

Acción y reacción sobre masas diferentes PRACTICANDO LA FÍSICA: GUERRA

DE JALAR LA SOGA 5.4 5.5

Vectores y la tercera ley Resumen de las tres leyes de Newton

8.5

79 81 82 85

6 Cantidad de movimiento

90

Cantidad de movimiento Impulso El impulso cambia la cantidad de movimiento

91 92

6.1 6.2 6.3

93 Caso 1: Aumento de la cantidad de movimiento 93 Caso 2: Disminución de la cantidad de movimiento durante un tiempo prolongado Caso 3: Disminución de la cantidad de movimiento durante un tiempo breve 6.4 6.5

Rebote Conservación de la cantidad de movimiento LEYES DE CONSERVACIÓN

6.6 6.7

Colisiones Colisiones más complicadas

7 Energía 7.1

Trabajo Potencia Energía mecánica

7.2 7.3 7.4 7.5

Energía potencial Energía cinética Teorema trabajo-energía Conservación de la energía ENERGÍA Y TECNOLOGÍA FÍSICA EN EL CIRCO

Energía reciclada 7.6 7.7 7.8

Máquinas Eficiencia Fuentes de energía CIENCIA BASURA

8 Movimiento rotacional 8.1 8.2 8.3 8.4

94 94 96 97 98 99 102

109 110 112 113 113 114 115 117 118 119 119 120 121 123 125

132

133 RUEDAS EN LOS FERROCARRILES 135 Inercia rotacional 136 Momento de torsión 139 Centro de masa y centro de gravedad 140 Ubicación del centro de gravedad 142 Estabilidad 143

Fuerza centrípeta

145

PRACTICANDO LA FÍSICA: BALANCEO

DE CUBETA CON AGUA 8.6

Fuerza centrífuga Fuerza centrífuga en un marco de referencia en rotación Gravedad simulada

8.7 8.8

Cantidad de movimiento angular Conservación de la cantidad de movimiento angular

9 Gravedad 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

9.6

9.7 9.8

La ley de gravitación universal La constante de gravitación universal, G Gravedad y distancia: la ley del inverso al cuadrado Peso e ingravidez Mareas oceánicas

147 148 150 151

160 161 163

164 166 167 Mareas en la tierra y la atmósfera 170 Abultamientos de marea en la Luna 170 Campos gravitacionales 170 Campo gravitacional en el interior de un planeta 171 Teoría de gravitación de Einstein 173 Agujeros negros 174 Gravitación universal 175

10 Movimiento de proyectiles

y satélites

10.1

146 147

Movimiento de proyectiles Proyectiles lanzados horizontalmente Proyectiles lanzados en un ángulo

182 183 184 186

PRACTICANDO LA FÍSICA: CUENTAS

COLGANTES PRÁCTICAS NUEVA VISITA AL “TIEMPO DE VUELO” 10.2 10.3 10.4

Movimiento circular

10.5

10.6 10.7

187 190

Proyectiles con movimiento rápido: satélites Órbitas satelitales circulares Órbitas elípticas

190 192 194

MONITORIZACIÓN MUNDIAL VÍA SATÉLITE

195

Leyes de movimiento planetario de Kepler

196 CÓMO ENCONTRAR TU CAMINO 197 Conservación de energía y movimiento de satélites 197 Rapidez de escape 198

ix

CONTENIDO

PARTE DOS

Propiedades de la materia 207 11 La naturaleza atómica

de la materia

11.1

La hipótesis atómica LA CAÍDA DE ALICIA

11.2 11.3 11.4

Características de los átomos Imágenes atómicas Estructura atómica Los elementos

11.5

La tabla periódica de los elementos Tamaños relativos de los átomos

11.6 11.7 11.8 11.9

Isótopos Compuestos y mezclas Moléculas Antimateria Materia oscura

12 Sólidos 12.1

Estructura cristalina

12.2

Densidad Elasticidad Tensión y compresión

EL PODER DE LOS CRISTALES 12.3 12.4

14 Gases 14.1 14.2

208 209 210 210 212 213 214 215 215 218 219 220 221 222

226 227 229 229 230 232

FUERZA DE LAS VARAS

Arcos FABRICACIÓN ADITIVA O IMPRESIÓN 3-D

12.6

Escalamiento

13 Líquidos 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6

Presión Presión de un líquido Flotabilidad Principio de Arquímedes ¿Qué hace que un objeto se hunda o flote? Flotación MONTAÑAS FLOTANTES

13.7 13.8 13.9

Principio de Pascal Tensión superficial Capilaridad

233 234 235 236

244

14.4 14.5

265 266 268 270 271 272 274 275 276 276 277

Ley de Boyle Flotabilidad del aire El principio de Bernoulli Aplicaciones del principio de Bernoulli PRACTICANDO LA FÍSICA

14.6

Plasma Plasma en el mundo cotidiano Electricidad plasmática

PARTE TRES

Calor

283

15 Temperatura, calor

y expansión

15.1 15.2

Temperatura Calor Medición del calor

15.3 15.4 15.5

Capacidad calorífica específica La alta capacidad calorífica específica del agua Expansión térmica Expansión del agua VIDA EN LOS EXTREMOS

16 Transferencia de calor 16.1 16.2 16.3

245 246 249 250 251 253 254 255 257 258

La atmósfera Presión atmosférica El barómetro

14.3

PRACTICANDO LA FÍSICA: 12.5

264

16.4 16.5 16.6 16.7 16.8

Conducción Convección

284 285 287 289 289 290 291 293 295

302

303 304 PRACTICANDO LA FÍSICA 307 Radiación 307 Emisión de energía radiante 308 Absorción de energía radiante 309 Reflexión de energía radiante 310 Enfriamiento en la noche mediante radiación 310 Ley de Newton de enfriamiento 311 El efecto invernadero 312 Cambio climático 313 Energía solar 314 PRACTICANDO LA FÍSICA 315 Cómo controlar la transferencia de calor 315

x

CONTENIDO

17 Cambio de fase 17.1 17.2 17.3

Fases de la materia Evaporación Condensación Condensación en la atmósfera La niebla y las nubes

17.4

Ebullición Géiseres La ebullición es un proceso de enfriamiento Ebullición y congelación al mismo tiempo

17.5

Fusión y congelación Rehielo

17.6

Energía y cambios de fase PRACTICANDO LA FÍSICA

18 Termodinámica 18.1 18.2

Termodinámica El cero absoluto Energía interna

18.3 18.4 18.5 18.6

La primera ley de la termodinámica Procesos adiabáticos La meteorología y la primera ley La segunda ley de la termodinámica Máquinas térmicas ¡ESCENIFICACIÓN DE LA TERMODINÁMICA!

18.7 18.8

La energía tiende a dispersarse Entropía

PARTE CUATRO

Sonido

19 Vibraciones y ondas 19.1

Buenas vibraciones Vibración de un péndulo

19.2 19.3

Descripción de ondas Movimiento ondulatorio PRACTICANDO LA FÍSICA

Ondas transversales Ondas longitudinales 19.4 19.5

Rapidez de ondas Interferencia de ondas Ondas estacionarias

19.6 19.7 19.8

Efecto Doppler Ondas de proa Ondas de choque

320 321 321 323 324 325 325 326 326 327 327 328 328 332

336 337 337 339 339 341 341 344 344

20 Sonido 20.1

Origen del sonido Medios que transmiten el sonido 20.2

355 356 357 358 358 360 361 361 361 362 363 364 365 367 367

El sonido en el aire BOCINA

Rapidez del sonido en el aire PRACTICANDO LA FÍSICA

Energía en ondas sonoras 20.3 20.4 20.5

Reflexión del sonido Refracción del sonido Vibraciones forzadas Frecuencia natural

20.6 20.7 20.8

Resonancia Interferencia Batimientos TRANSMISIONES DE RADIO

21 Sonidos musicales 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5

346 347 349

La naturaleza del sonido

21.6 21.7

Ruido y música Altura Intensidad del sonido y sonoridad Calidad Instrumentos musicales Análisis de Fourier De analógico a digital

374 375 375 376 376 378 378 379 379 379 380 382 382 382 384 385 386

391 392 393 394 395 396 397 399

PARTE CINCO

Electricidad y magnetismo 405 22 Electrostática 22.1

Electricidad Fuerzas eléctricas

22.2 22.3

Cargas eléctricas Conservación de la carga TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA Y CHISPAS

22.4 22.5

Ley de Coulomb Conductores y aislantes Semiconductores Superconductores

22.6

Carga Carga mediante fricción y contacto Carga por inducción

406 407 408 408 409 410 411 412 412 413 413 413 414

CONTENIDO

22.7 22.8

Polarización de la carga Campo eléctrico HORNO DE MICROONDAS

Blindaje eléctrico 22.9

Potencial eléctrico Almacenamiento de energía eléctrica Generador Van de Graaff

23 Corriente eléctrica 23.1 23.2 23.3 23.4

Flujo de carga y corriente eléctrica Fuentes de voltaje Resistencia eléctrica La ley de Ohm La ley de Ohm y el choque eléctrico

23.5

Corriente directa y corriente alterna Conversión de CA a CD

23.6 23.7 23.8 23.9

Rapidez y fuente de los electrones en un circuito Potencia eléctrica Lámparas Circuitos eléctricos Circuitos en serie CELDAS DE COMBUSTIBLE

Circuitos en paralelo Circuitos en paralelo y sobrecarga Fusibles de seguridad

24 Magnetismo 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5

Magnetismo Polos magnéticos Campos magnéticos Dominios magnéticos Corrientes eléctricas y campos magnéticos PRACTICANDO LA FÍSICA

24.6

Electroimanes Electroimanes superconductores

24.7

Fuerzas magnéticas Sobre las partículas cargadas en movimiento Sobre los alambres portadores de corriente Medidores eléctricos Motores eléctricos

24.8

El campo magnético de la Tierra Rayos cósmicos

24.9

Biomagnetismo

416 417 418 419 421 423 424

430 431 432 433 434 435 437 437 438 440 441 441 442 442 443 445 445

452 453 454 455 456 458 458 459 459 460 460 460 461 462 462 464 465

IRM: IMÁGENES POR RESONANCIA MAGNÉTICA 465

25 Inducción electromagnética 25.1 25.2 25.3 25.4

Inducción electromagnética Ley de Faraday Generadores y corriente alterna Producción de potencia Potencia de turbogenerador Potencia MHD

25.5 25.6 25.7 25.8

Transformadores Autoinducción Transmisión de potencia Inducción de campo

PARTE SEIS

Luz

26 Propiedades de la luz 26.1 26.2 26.3

Ondas electromagnéticas Velocidad de una onda electromagnética El espectro electromagnético ANTENAS FRACTALES

26.4 26.5

Materiales transparentes Materiales opacos Sombras

26.6

Viendo la luz: el ojo

27 Color 27.1 27.2 27.3 27.4

Color en el mundo Ref lexión selectiva Transmisión selectiva Mezcla de luces de colores Colores primarios Colores complementarios

27.5 27.6 27.7

Mezcla d...