Física Vol 2 - Halliday, Resnick & Krane, 5th Edition, Español PDF

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Q u in te e d ic ió n e n in g lé s (C-,i~r¿aediciónenespañol) fg a iB UO T£ ca^ il 55 R e Q 'o n a l s)l OBERA g H Robert Resnick Atv r / j CIO' - / o c-yy P rofesor de Física Rensselaer Polytechnic Institute David Haliiday P rofesor de Física University o f Pittsburgh K e iiE e tb S . K x...

Description

Q u in te

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in g lé s

(C -,i~r¿aediciónenespañol)

fg a iB U O T £ c a^ il 55

R e Q 'o n a l

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OBERA

Robert Resnick P rofesor de Física Rensselaer Polytechnic Institute

Atv r / j

o

g H

CIO'

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David Haliiday P rofesor de Física University o f Pittsburgh

K e iiE e tb

S .

K x s n e

Profesor de Física Oregon State University

Con la participación de Paul Stanley California Lutheran University

SEX TA R E IM P R E S IÓ N M ÉX ICO , 2 0 0 7

G R U P O E D IT O R IA L PA TRIA

Para establecer comunicación con nosotros puede hacerlo por: correo: Renacim iento 180, Col. S an J u a n Tlihuaca, Azcapotzalco, 0240 0, México, D.F.

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Título original de la obra: P/tyj/cí/Robert Resnick, David Halliday, Kenneth S. Krane, 5th edition ISBN: 0-471-32057-9 Copyright © 1960, 1962, 1966, 1978, 1992, 2002, John Wiley & Son Inc. AU right reserved Traducción autorizada de la edición en ingles publicada por John Wiley & Son, Inc. Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinadora editorial: Elisa Pecina Rosas Diseño de interiores: Ricardo Pineda Diseño de portada: Enrique Román Esnaurrízar Traducción: Efrén Alatorre Miguel Lic. en Física, UNAM Revisión técnica Físico Antonio Gen Mora Departamento de Ciencias-Coordinador de Física Universidad Iberoamericana-Ciudad de México Ph. D. Raúl Martínez Rosado Director del Departamento de Ciencias Básicas ÍTESM-Campus Estado de México Físico Ricardo Páez Martínez Coordinador Académico del Depto. de Física Universidad Nacional de Colombia F ísic a , val. 2

Derechos reservados respecto a la edición en español: © 2002, GRUPO PATRIA CULTURAL, S. A. DE C.V. © 2007, GRUPO EDITORIAL PATRIA S.A. DE C.V. Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzaico, Código Postal 02400, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm. 43 ISBN 978-970-24-0326-5 (ISBN de 13 dígitos) ISBN 970-24-0326-X (tercera edición) U N a (vi Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor.

b ib l io t e c a

Ré G iO UAL OSÉRA

Impreso en México Printed in México C uarta edición: 2002 Quinta reimpresión: 2006 Sexta reimpresión: 2007

S. T.

Adre (seco, a 2 0 aC y a 1 atm ) D ensidad C apacidad de calor específico a tem p eratu ra constante R azón de capacidades de calo r esp ecífico V elocidad del sonido Fuerza de ruptura eléctrica M asa m olar efectiva

D ensidad V elocidad del sonido C apacidad de calor específico a p resió n constante C alor de fusión (0°C) C alor de vaporización (100°C ) índice de refracción M asa m olar Tierra M asa R adio m edio A celeración en caída libre en la superficie terrestre A tm ósfera estándar

. •

1.21 k g /m 3 1,010 J / k g • K 1.40 343 m /s 3 X 10 6 V /m 0.0289 k g /m o l

1,000 k g / m 3 1,460 m / s 4 ,190 J / k g - K 333 k J /k g 2,260 k l / k g 1.33 0.0180 k a /m o l

5.98 6.37 9.81 1.01

X 10 24 kg X 10 6 itT m /s 2 X 10 5 Pa

P e rio d o de sa té lite a 100 km de a ltitu d

Velocidad de escape M om ento de dipolo m agnético C am po eléctrico m edio en la superficie D istancia con: Luna Sol E strella m ás cercana C entro galáctico G alaxia de A ndróm eda B orde del universo observable

11.2 k m /s 8.0 ss 10 22 A. • m 2 150 V /m , h ac ia abajo

3.82 X 10s m 1.50 X 1 0 n m 4.04 X 1 0 !6 m 2.2 X 102° m 2.1 X l ü 22 m ~ 1026 m

V elocidad de la luz en el vacío C onstante g ravitacional N ew to n ian a C onstante de A vogadro C onstante de gas m olar R elación m asa-energía

R c2

C onstante eléctrica (perm iíividad) C onstante m ag n ética (perm eabilidad) C onstante de P lanck

eo !U0 h

C onstante de B oltzm an

k

C arga elem ental M asa del electrón E nergía del electrón en reposo M asa del protón E n erg ía del p ro tó n en reposo R adio de B oh r M agnetón de B ohr

c G na

e me ,

mjc~ m r i m pcao Ab

3.00 X 10 s m /s 6.67 X 1 0 11 N ■m 2/ k g 2 6 .0 2 X 10 2:3 m o l -1 8.31 I /m o l •K 8.99 X ¡O 16 J / k g 931.:5 M e V /u 8.85 X 1 0 - ' 12 F /m 1.26 X 1 0 " 6 H /m 6.63 X 1 0 “ '34 J • s 4.14 X 1 0 "45 e V - s 1.38 X 1 0 " '23 J / K 8.62 X 1 0 " '5 e V /K 1.60 X 1 0 - 9 C 9.11 X 1 0 - -X kg 511.0 k eV 1.67 X 1 0 "■27 kg 93853 M eV 5.29 X 1 0 - 11 m 9.27 X 1 0 - - 4 J / T 5.79 X 1 0 - 5 e V /T

* En el apéndice B viene una lista más completa que muestra también los valores experimentales óptimos.

ALG UNO S FACTORES DE C O N V E R S IO N *

M asa 1 kg = 1,000 g = 6.02 X 10 26 u

1 u = 1.66 x ìo -27kg L ongitud 1 m = 100 cm = 39.4 in. = 3.28 ft 1 m i = 1 .6 1 km = 5,280 ft 1 in. = 2.54 cm 1 año lu z = 3.26 parsec = 9.46 x IO 10 m 1 À = 0.1 nm = 100 pm = 1 0 -1 0 m Tiem po 1 d = 86,400 s 1 y = 3 6 5 d = 3.16 X 10 7 s Volumen 1 L = 1,000 cm 3 = IO - 3 m 3 = 1.06 quart 1 gal (U .S.) = 231 m.-' = 3.79 L M edida angu la r 1 rad = 57.3° = 0.159 rev 7T rad = 180° = -i rev "Véase en el apéndice G una lista más completa.

Velocidad 1 m / s = 3.28 f t /s = 2.24 m i/h 1 k g /h = 0.621 m i/h uerza y presión 1 N = 10" dina = 0.225 ib 1 Pa = 1 N /’m 2 = 10 d in a/'c m 2 = 1.45 X 10 ~~4 I b / in .2 1 atrn = 1.01 X 10 3 P a = 14.7 ib / in .2 = 76 cm -H g E nergía y poten cia 1 J = 10 7 erg = 0.239 cal = 0.738 ft • Ib I k W - h = 3.6 X 10 6 J 1 cal = 4.19 J 1 eV = 1.60 X 1 0 ~ 19I 1 caballo de fuerza = 746 W = 550 ft • Ib./s E lectricid a d y m ag n etism o

PREFACIO DEL VOLUMEN 2

_s_

1—1sta es la quinta ed ició n del libro que en

1960 D av id H alliday y R obert Resniclc p u b licaro n p o r p rim era v ez con el tí­ tulo de P h ysics f o r S tu d en ts o f S cience a n d E ngineering. D esde hace 40 años h a sido la obra clásica en el curso in tro ­ ductorio basado en el cálcu lo y h a gozado de gran prestigio p o r su exposición clara y exhaustiva. En esta edición hem os p ro cu rad o m ejo rar la accesib ilid ad , sin sacrificar el n ivel ni el rig o r de su contenido. R eescrib im o s gran parte del libro para que el m aterial fluya m ejo r y p a ra facilitar la in tro d u cció n a nuevos tem as. H em os tratad o de o frecer ejem plos m ás p rác ti­ cos y de p ro ced er de lo p articu lar a lo general cuando se abor­ dan tem as nuevos. E n la presente ed ició n se in clu y en m uchos cam bios en la didáctica, lo m ism o que en la orden de los capítulos. Q uienes estén fam iliarizados con la cu arta edición en co n trarán los m ism os tem as, aunque en un orden ligeram ente revisado. Al realizar las revisiones recu rrim o s a u su a rio s de las ediciones anteriores y tuvim os en c u en ta los resultados de la in v estig a­ ción dedicada a la en señ an za de la física. A co n tin u ació n se­ ñalam os las innovacio n es que ofrece esta edición. 1. D ebido a la reordenación que condujo a elim inar dos ca­ pítulos del volum en 1 , los del v olum en 2 fueron n u m erados com enzando con el 25 (que corresp o n d e al 27 de la cuarta edición). 2. A los alum nos les resu lta difícil integrar las d istrib u cio ­ nes de carga co ntinua cuando calculan los cam pos eléctricos, p rocedim iento que es a la vez co n ceptualm ente abstracto y nada fácil desde el pu n to de vista del cálculo. A fin de reso l­ ver antes los problem as co n cep tu ales, explicam os el p ro ced i­ m iento al tratar de las fu e r z a s eléctricas y no de los cam pos eléctricos; p o r ejem plo, en el capítulo 25 se explica cóm o c al­ cular la fuerza ejercid a p o r u n a línea de carga sobre u n a car­ ga puntual. E n general, los alum nos intuyen m ejo r las fuerzas que los cam pos, de m odo que podem os exponer el p ro ced i­ m iento m atem ático en u n contex to m ás físico. M ás adelante repetirem os los cálculos de cam p o s y de p otenciales. P o r m o ­ tivos parecidos, abordam os los teorem as de cascarones en el capítulo 25 dentro del contex to de las fuerzas, lo cual co rres­ ponde a su introducció n en el capítulo 14 del v olum en 1 al tratar de la fuerza gravitacional. 3. E n ediciones anteriores la d ispersión de R u th erfo rd se in clu ía en el capítulo ded icad o a la ley de G auss; ah o ra se in ­ corpora en la explicació n de los cam pos eléctricos en el cap í­ tulo 26.

4. E n el capítulo 27 (Ley de G auss), hem os am pliado la ex­ p o sició n sobre la relació n entre el flujo eléctrico y las líneas de cam po; ah o ra nos ocupam os de las aplicaciones ordinarias de la ley a las distribuciones de carga continua y lueg o de su ap licació n a los conductores. 5. E l cap ítu lo 29 (P ropiedades eléctricas de los m ateria­ les) fu e reescrito e incorpora m aterial acerca de los co n ducto­ res y los d ieléctricos que en ediciones anteriores ap arecía en los dos cap ítu lo s de los capacitores y la c o m e n te . C reem os que se trata de m aterial in d ependiente y que, al exponerlo de esta m an era, es m ás fácil contrastar el co m portam iento de los co n d u cto res y el de los aislantes en los cam pos eléctricos. 6 . L a in v estig ació n de la enseñanza de la física rev ela que los estu d ian tes tienen serios problem as p ara en ten d er el com ­ p o rtam ien to de los circuitos sim ples de corriente d irecta. P or e llo .h e m o s am pliado la exposición de este tem a, al m ism o tiem p o que reducim os la de los circuitos m u ltiespiras y la de los instru m en to s de m edición. 7. E n esta edición com enzam os la intro d u cció n a las fuenj tes del cam p o m agnético (C apítulo 33) explicando el cam po d ebid o a u n a sola carga en m ovim iento y p asando luego al : cam p o d eb id o a un elem ento de corriente. Se lo g ra así una m ejo r co rresp o n d en cia con la fo rm a en que se abordan los cam pos m ag n ético s en el capítulo anterior (se ex am ina la fu erza en un a sola carga en m o vim iento y luego en un ele­ m ento de c o m e n te). A hora se calcula d irectam ente el cam po ax ial de un solenoide usando la ley de B iot-S avart antes de re ­ p e tir el cálcu lo m ediante la de A m père. §. E l m o m en to d ipolar m agnético se p ospone h a sta el ca­ p ítulo 35 (P ropiedades m agnéticas de los m ateriales). E n p ar­ te lo hicim os p ara no sobrecargar a los estudiantes con m aterial n u ev o en el p rim er capítulo dedicado a los cam pos m ag n ético s y p ara ofrecerles una exposición m ás co h erente al in ic iar el tratam iento del dipolo m agnético en un contexto donde se ap licará m uy directam ente. H em os abreviado un p o ­ co la e x p licació n del m agnetism o atóm ico y nuclear- en este capítulo, o ptando p o r p o sponer una ex p licación m ás a fondo en un cap ítu lo posterior, una vez expuestos algunos de los ru ­ dim entos de la estructura atóm ica ju n to con el esp ín de los electrones. 9. S e in teg raro n los capítulo 40, 41, 42 y 43 de la edición an terio r a los capítulos 38 y 39 de la quin ta edición. E l cap í­ tulo 38 trata ahora de las ecuaciones de M axw ell y d e sus ap li­ cacio n es a las ondas electrom agnéticas, m aterial que figuraba

en los capítulos 40 y 41 de la c u a rta edición. E n el capítulo 39 selecció n de ejercicio s y p ro b lem as nuev o s. C om o en la cu ar­ se estudian las propied ad es d e las o ndas de luz, inclu y én d o se ta edición, las resp u estas a los ejercicio s y pro b lem as im pares adem ás la reflexión y la re fra c c ió n ; se in co rp o ra así m aterial vien en en el libro y las de los pares v ien en en el m an u al del que aparecía antes en los cap ítu lo s 41, 42 y 43. L a form ació n profesor. de im ágenes m ediante esp ejo s p lan o s ap arece en el siguiente A l m aterial de fin al de cap ítu lo se agreg aro n p reg u n tas de capítulo (40), donde en caja m ás esp o n tán eam en te con la e x ­ op ción m ú ltip le y p ro b lem as p ara reso lv er p o r com putadora. p licación de la form ació n de im ág en es m ed ian te espejos y L as p reg u n tas p o r lo re g u la r son co n ceptuales y a m enudo lentes. ex ig en gran p en etració n del m aterial. L as resp u estas vienen 10. E n la cuarta edición los tem as de la física m o d ern a e s­en el m an u al del profesor. L os pro b lem as p u ed en re q u erir es­ taban esparcidos a lo largo d el lib ro , generalm ente en seccio­ tar fam iliarizad o s co n las técn icas de h o jas de cálculo o con nes m arcadas com o “o p c io n a le s” . E n esta ed ició n seguim os las rutinas de m an ip u lació n sim b ó lica co m o M ap le o M athem atica. utilizando ejem plos to m ad o s d e e lla d onde co n v ien e, p ero las E l m aterial de fin al de capítulo se prep aró co n la v aliosa secciones especiales de la físic a m o d ern a fueron integradas ayuda de P au l S tanley de la C alifo rn ia L u th era n U niversity. en los capítulos 45-52 d onde se estu d ian tem as de la física E n este p ro y ecto tuvim os la su erte de ap ro v ech ar sus ex celen ­ cuántica y sus aplicaciones a áto m o s, sólidos y núcleos. E sta­ tes ideas y creatividad. m os firm em ente convencidos de q u e la relativ id ad y la física H em os pro cu rad o elab o rar un libro q u e o frezca u n trata­ cuántica son partes esenciales d e un curso intro d u cto rio de es­ m ien to de la física lo m ás co m p leto y rig u ro so p o sib le en es­ te nivel; pero la m ejor fo rm a d e h acerles ju stic ia a esos tem as es una presentación co h eren te y un itaria, no un a m era co lec­ te nivel. C on todo, co n v ien e señ alar lo siguiente: p o co s p ro feso res o n in g u n o qu errá n se g u ir el libro de p rin c ip io a ción de exposiciones aisladas. Ig u a l que en la cu arta edición, el capítulo dedicado a la re la tiv id a d especial se en cu en tra en ­ fin , sobre todo en un curso de un año. O frece m uchas altern a­ tre los capítulos de la m ec á n ic a clásic a en el v o lu m en 1 , lo tivas al resp ecto . E l que desee estu d iar con m ay o r p ro fu n d i­ cual refleja nuestra id ea de que la relativ id ad esp ecial debe dad m enos tem as (el co n o cid o enfoque de “m e n o s y m ejo r” ) p o d rá seleccio n ar varias de ellos. A lg u n as secciones o subsecubicarse entre los capítulos so b re la cin em ática y la m ecánica que tratan de la física clásica. L o s cap ítu lo s 45-48, d onde se ciones están m arcas com o “o p cio n ales” , lo cual sig n ifica que p u ed en om itirse sin p erd e r la co ntinuidad. Según el p ro gram a estudian la física cuántica y sus ap licacio n es al átom o, fueron reescritos en gran parte a p a rtir de la cu arta edición. E n el ca­ del curso, lo m ism o p u ed e h acerse con otra secciones o in clu ­ pítulo 45 se explican los p rim ero s ex p erim en to s tradicionales so con capítulo enteros; tam b ién pueden estudiarse con m enor que revelan las propiedades de la rad iació n electro m ag n ética p ro fu n d id ad . E! m anual del profesor, m aterial co m p lem en ta­ a nivel de partículas: la ra d ia ció n térm ica, el efecto fo to eléc­ rio del texto, contiene su g eren cias p ara ab rev iar el tratam ien ­ trico y la difusión de C om pton. S in em bargo, la e v id en cia in e­ to. C on todo, se in clu y e u n a ex p o sició n co m p leta de los quívoca en fav o r de la d u alid ad p artícu la-o n d a de la luz tem as, de m o d o que el estudiante in teresad o en co n trará en el libro los tem as om itidos y se h ará una id ea m ás am p lia del te­ proviene sólo de los ex p erim en to s de d ecisión retrasad a, que m a. C o n fiam o s que nuestro lib ro sea visto com o u n a especie ahora se incluyen en el cap ítu lo 45. E n esta edición lo s ru d i­ de “m ap a” de la física: p u ed en tom arse carreteras p a n o rám i­ m entos de la teoría de S c h rö d in g er se estu d ian ahora en el ca­ cas o directas, sin que se req u iera utilizarlas todas en el p ri­ pítulo 46, con aplicaciones d etallad as a los p ozo s de potencia y al átom o de hidrógeno en el c ap ítu lo 47. E l capítulo 48, que m er viaje. A l viajero lleno de curiosidad se le estim u lará para versa sobre la estructura del átom o, se parece al 52 de la cuar­ que reg rese al m ap a y explore reg io n es que no visitó en el p ri­ ta edición, sólo que se agregó m aterial co n cern ien te al m a g ­ m er recorrido. netism o atóm ico. E l lib ro viene en dos volúm enes. E n el v olum en 1 se es­ E n esta edición, el m aterial d e fin a l de capítulo d ifiere n o ­ tud ian la cinem ática, la m ecá n ica y la term o d in ám ica; el vo ­ tablem ente del que se in clu y ó en la anterior. L os conjuntos de lu m en II in clu y e electro m ag n etism o , óptica, física cu án tica y problem as (que rem itían a las seccio n es de-capítulo) fueron sus aplicaciones. L os suplem en to s disponibles en in g lés son: revisados con m ucho esm ero y re p artid o s en dos grupos: ejer­ cicios y problem as. L os ejercicio s, qu e rem iten a las seccio ­ In s tru c to rs S o lutions M an u al S tu d en t Solution M an ual nes del libro, suelen ser a p licacio n es directas del m aterial In stru c to r’s M an u al S tudent S tudy G uide expuesto en la sección co rresp o n d ien te. Su fin alid ad es ay u ­ In stru c to r’s R eso u rce CD P h y sics S im ulations darle al alum no a fam iliarizarse co n los conceptos, con fó r­ Test B an k eG rade H o m ew o rk m ulas im portantes, con u n id ad es y dim en sio n es, etc. L os problem as, que no rem iten a las seccio n es del libro, requieren M an ag em en t S y stem a m enudo em plear conceptos de v arias secciones e inclusive de capítulos anteriores. E n algunos se p id e estim ar o lo calizar P ara m ay o r in fo rm ac ió n so b re estos suplem entos, fa v o r de por su cu enta los datos n ecesario s p a ra resolverlos. A l co rre­ com unicarse con su rep resen tan te de C EC SA . g ir y agrupar los ejercicios y los p ro b lem as suprim im os algu­ nos problem as de la ed ició n anterior. U n suplem ento de A l p rep arar esta edición hem o s ap rovechado las re co m en ­ problem as contendrá la m ay o ría de ellos, lo m ism o que una daciones de un equipo m uy p ro fesio n al de revisores quienes,

en fo rm a in d iv id u a l o colectiv a, ap o rtaro n co m en tario s y crí­ ticas en casi todas las pág in as de la obra: R ic h a rd B ukey, L o y o la U n iv ersity D u an e C arm o n y , P urdue U n iversity J. R ic h a rd C hrism an , U. S. C o ast G uard A cadem y Jo h n D ix o n , C alifo rn ia S tate U n iv ersity -S an B ern ard in o Jo h n F ed erici, N ew Jersey In stitu te o f T echnology D a v id G av en d a, U n iv ersity o f T exas-A ustin S tu art G azes, U n iv ersity o f C h icago Jam es G erhart, U n iv ersity o f W ashington Jo h n G ruber, S an Jose S tate U n iv ersity M artin H ack w o rth , Idaho S tate U niversity Jo n ath an H all, P en n sy lv an ia S tate U niversity, B eh ren d O shri K arm o n , D iab lo V alley C o llege Jim N ap o litan o , R en sselaer P o ly tech n ic In stitu te D o n ald N au g le, T exas A & M U niv ersity D o u g las O sheroff, S tan fo rd U niv ersity H arv ey Picker, T rinity C ollege A n th o n y Pitu cco , P rim a C o m m u n ity C ollege R o b ert Scherrer, O hio S tate U niversity John T outonghi, S eattle U niv ersity

Q u erem o s ex p resar n u estra profunda gratitud a todas es­ tas p erso n as p o r su esfuerzo y p o r las ideas que nos dieron. T am bién querem os agradecer las recom endaciones del Physics E d u catio n G roup de la U niv ersid ad de W ashington, espe­ cialm en te a P au la H ero n y a L illian M cD erm ott. E l p erso n al de John W iley & S ons nos brindó su constan­ te ayu d a en el proyecto, p o r lo cual le estam os profundam en­ te agradecidos. U n testim onio especial de g ratitud...