Libro Electricidad Magnetismo PDF

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SIMULACIONES PhET (en inglés) Disponible en el eText de Pearson y en el área de estudio de MasteringPhysics La edición en español consta de dos volúmenes. El volumen 1 incluye los capítulos 1 a 20; el volumen 2 incluye los capítulos 21 a 44. Sección Página Sección Página 1.6 Estimation 10 25.6 Cond...

Description

SIMULACIONES PhET

(en inglés)

Disponible en el eText de Pearson y en el área de estudio de MasteringPhysics La edición en español consta de dos volúmenes. El volumen 1 incluye los capítulos 1 a 20; el volumen 2 incluye los capítulos 21 a 44.

Sección 1.6 1.7 2.4 2.4 2.5 3.2 3.3 3.4 5.2 5.3 6.2 6.3 7.3 7.5 9.3 10.6 12.3 13.2 13.4 14.2 14.3 14.5 15.8 16.6 17.6 17.7 18.3 18.6 21.2 21.6 21.7 23.2 24.5 25.3 25.4 25.5

Página Estimation 10 Vector Addition 13 * Forces in 1 Dimension 47 * The Moving Man 49 Lunar Lander 52 Maze Game 76 * Projectile Motion 79 Ladybug Revolution, Motion in 2D 87 Lunar Lander 146 Forces in 1 Dimension, Friction, *The Ramp 149 * The Ramp 181 Molecular Motors, Stretching DNA 188 * The Ramp 222 * Energy Skate Park 229 Ladybug Revolution 286 Torque 326 Balloons & Buoyancy 380 Lunar Lander 406 My Solar System 412 Motion in 2D 443 * Masses & Springs 446 * Pendulum Lab 453 Fourier: Making Waves, Waves on a String 495 Sound, Wave Interference 529 States of Matter 566 The Greenhouse Effect 570 Balloons & Buoyancy, Friction, Gas Properties 599 States of Matter 612 Balloons and Static Electricity, John Travoltage 691 * Charges and Fields, Electric Field of Dreams, Electric Field Hockey 708 Microwaves 711 * Charges & Fields 761 Molecular Motors, Optical Tweezers and Applications, Stretching DNA 806 Resistance in a Wire 825 Battery Voltage, Signal Circuit 829 Battery-Resistor Circuit, *Circuit Construction Kit (AC+DC), *Circuit Construction Kit (DC Only), Ohm’s Law 834

Sección Página 25.6 Conductivity 838 26.4 * Circuit Construction Kit (AC+DC), *Circuit Construction Kit (DC Only) 866 27.3 Magnet and Compass, Magnets and Electromagnets 891 28.5 Faraday’s Electromagnetic Lab, Magnets and Electromagnets 933 29.2 Faraday’s Electromagnetic Lab, Faraday’s Law, Generator 962 31.3 * Circuit Construction Kit (AC+DC), Faraday’s Electromagnetic Lab 1031 32.3 Radio Waves & Electromagnetic Fields 1061 32.5 Microwaves 1070 34.4 * Geometric Optics 1131 34.6 Color Vision 1142 35.2 * Wave Interference 1168 36.2 * Wave Interference 1192 38.1 Photoelectric Effect 1262 38.4 Fourier: Making Waves, Quantum Wave Interference 1274 39.2 Davisson-Germer: Electron Diffraction 1287 39.2 Rutherford Scattering 1294 39.3 Models of the Hydrogen Atom 1297 39.3 Neon Lights and Other Discharge Lamps 1304 39.4 Lasers 1307 39.5 Blackbody Spectrum, The Greenhouse Effect 1310 40.1 Fourier: Making Waves 1328 40.1 Quantum Tunneling and Wave Packets 1337 40.3 Double Wells & Covalent Bonds, Quantum Bound States 1343 40.4 Quantum Tunneling and Wave Packets 1347 41.5 Stern-Gerlach Experiment 1383 42.1 Double Wells and Covalent Bonds 1406 42.2 The Greenhouse Effect 1409 42.4 Band Structure, Conductivity 1417 42.6 Semiconductors, Conductivity 1422 43.1 Simplified MRI 1444 43.3 Alpha Decay 1450 43.7 Nuclear Fission 1464

*Indica un tutorial asociado disponible en la biblioteca de MasteringPhysics.

ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINE™

(en inglés)

www.masteringphysics.com 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Analyzing Motion Using Diagrams Analyzing Motion Using Graphs Predicting Motion from Graphs Predicting Motion from Equations Problem-Solving Strategies for Kinematics Skier Races Downhill Balloonist Drops Lemonade Seat Belts Save Lives Screeching to a Halt Pole-Vaulter Lands Car Starts, Then Stops Solving Two-Vehicle Problems Car Catches Truck Avoiding a Rear-End Collision Force Magnitudes Skydiver Tension Change Sliding on an Incline Car Race Lifting a Crate Lowering a Crate Rocket Blasts Off Truck Pulls Crate Pushing a Crate Up a Wall Skier Goes Down a Slope Skier and Rope Tow Pole-Vaulter Vaults Truck Pulls Two Crates Modified Atwood Machine Solving Projectile Motion Problems Two Balls Falling Changing the x-Velocity Projectile x- and y-Accelerations Initial Velocity Components Target Practice I Target Practice II Magnitude of Centripetal Acceleration Circular Motion Problem Solving Cart Goes Over Circular Path Ball Swings on a String Car Circles a Track Satellites Orbit Work Calculations Upward-Moving Elevator Stops Stopping a Downward-Moving Elevator Inverse Bungee Jumper Spring-Launched Bowler Skier Speed Modified Atwood Machine Momentum and Energy Change Collisions and Elasticity Momentum Conservation and Collisions Collision Problems Car Collision: Two Dimensions Saving an Astronaut Explosion Problems Skier and Cart Pendulum Bashes Box Pendulum Person-Projectile Bowling Calculating Torques A Tilted Beam: Torques and Equilibrium Arm Levers Two Painters on a Beam Lecturing from a Beam

7.6 7.7 7.8 7.9 7.10

Rotational Inertia Rotational Kinematics Rotoride–Dynamics Approach Falling Ladder Woman and Flywheel Elevator–Dynamics Approach 7.11 Race Between a Block and a Disk 7.12 Woman and Flywheel Elevator–Energy Approach 7.13 Rotoride–Energy Approach 7.14 Ball Hits Bat 8.1 Characteristics of a Gas 8.2 Maxwell-Boltzmann Distribution–Conceptual Analysis 8.3 Maxwell-Boltzmann Distribution–Quantitative Analysis 8.4 State Variables and Ideal Gas Law 8.5 Work Done By a Gas 8.6 Heat, Internal Energy, and First Law of Thermodynamics 8.7 Heat Capacity 8.8 Isochoric Process 8.9 Isobaric Process 8.10 Isothermal Process 8.11 Adiabatic Process 8.12 Cyclic Process–Strategies 8.13 Cyclic Process–Problems 8.14 Carnot Cycle 9.1 Position Graphs and Equations 9.2 Describing Vibrational Motion 9.3 Vibrational Energy 9.4 Two Ways to Weigh Young Tarzan 9.5 Ape Drops Tarzan 9.6 Releasing a Vibrating Skier I 9.7 Releasing a Vibrating Skier II 9.8 One-and Two-Spring Vibrating Systems 9.9 Vibro-Ride 9.10 Pendulum Frequency 9.11 Risky Pendulum Walk 9.12 Physical Pendulum 10.1 Properties of Mechanical Waves 10.2 Speed of Waves on a String 10.3 Speed of Sound in a Gas 10.4 Standing Waves on Strings 10.5 Tuning a Stringed Instrument: Standing Waves 10.6 String Mass and Standing Waves 10.7 Beats and Beat Frequency 10.8 Doppler Effect: Conceptual Introduction 10.9 Doppler Effect: Problems 10.10 Complex Waves: Fourier Analysis 11.1 Electric Force: Coulomb’s Law 11.2 Electric Force: Superposition Principle 11.3 Electric Force: Superposition Principle (Quantitative) 11.4 Electric Field: Point Charge 11.5 Electric Field Due to a Dipole 11.6 Electric Field: Problems 11.7 Electric Flux 11.8 Gauss’s Law 11.9 Motion of a Charge in an Electric Field: Introduction 11.10 Motion in an Electric Field: Problems 11.11 Electric Potential: Qualitative Introduction

11.12 11.13 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 13.10 14.1 14.2 14.3 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 15.10 15.11 15.12 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 18.1 18.2 18.3 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 20.1 20.2 20.3 20.4

Electric Potential, Field, and Force Electrical Potential Energy and Potential DC Series Circuits (Qualitative) DC Parallel Circuits DC Circuit Puzzles Using Ammeters and Voltmeters Using Kirchhoff’s Laws Capacitance Series and Parallel Capacitors RC Circuit Time Constants Magnetic Field of a Wire Magnetic Field of a Loop Magnetic Field of a Solenoid Magnetic Force on a Particle Magnetic Force on a Wire Magnetic Torque on a Loop Mass Spectrometer Velocity Selector Electromagnetic Induction Motional emf The RL Circuit The RLC Oscillator The Driven Oscillator Reflection and Refraction Total Internal Reflection Refraction Applications Plane Mirrors Spherical Mirrors: Ray Diagrams Spherical Mirror: The Mirror Equation Spherical Mirror: Linear Magnification Spherical Mirror: Problems Thin-Lens Ray Diagrams Converging Lens Problems Diverging Lens Problems Two-Lens Optical Systems Two-Source Interference: Introduction Two-Source Interference: Qualitative Questions Two-Source Interference: Problems The Grating: Introduction and Qualitative Questions The Grating: Problems Single-Slit Diffraction Circular Hole Diffraction Resolving Power Polarization Relativity of Time Relativity of Length Photoelectric Effect Compton Scattering Electron Interference Uncertainty Principle Wave Packets The Bohr Model Spectroscopy The Laser Particle Scattering Nuclear Binding Energy Fusion Radioactivity Particle Physics Potential Energy Diagrams Particle in a Box Potential Wells Potential Barriers

SEARS Y ZEMANSKY

FÍSICA UNIVERSITARIA

Volumen 2

CON FÍSICA MODERNA Décimo tercera edición HUGH D. YOUNG

CARNEGIE MELLON UNIVERSITY

ROGER A. FREEDMAN

UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA COLABORACIÓN DE

A. LEWIS FORD

TEXAS A&M UNIVERSITY TRADUCCIÓN

Antonio Enríquez Brito

Traductor especialista en ciencias REVISIÓN TÉCNICA

Gabriela Del Valle Díaz Muñoz Luz María García Cruz Héctor Luna García Ricardo Paez Hernández José Antonio Eduardo Roa Neri Alberto Rubio Ponce

Departamento de Ciencias Básicas Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco MÉXICO

Antonio Gen Mora

Departamento de Física y Matemáticas Universidad Iberoamericana MÉXICO

Ana Yancy Segura Zárate Dionisio Gutiérrez Fallas Ernesto Montero Zeledón

Instituto Tecnológico de Costa Rica COSTA RICA

Datos de catalogación bibliográfica YOUNG, HUGH D. y FREEDMAN, ROGER A. Física universitaria con física moderna volumen 2 Décimo tercera edición PEARSON, México, 2013 ISBN: 978-607-32-2190-0 Área: Ciencias Formato: 21.5 3 27.5 cm

Páginas: 896

Authorized translation from the English language edition, entitled UNIVERSITY PHYSICS WITH MODERN PHYSICS TECHNOLOGY UPDATE 13th Edition, by HUGH D. YOUNG, ROGER A. FREEDMAN, contributing author A. LEWIS FORD, published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright © 2012. All rights reserved. ISBN 9780321897961. Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada UNIVERSITY PHYSICS WITH MODERN PHYSICS TECHNOLOGY UPDATE 13ª edición por HUGH D. YOUNG, ROGER A. FREEDMAN, con la colaboración de A. LEWIS FORD, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, Copyright © 2012. Todos los derechos reservados. ISBN 9780321897961. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Dirección general: Philip De la Vega Dirección Educación Superior: Mario Contreras Editor sponsor: Gabriela López Ballesteros [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: Enrique Trejo Hernández Gerencia Editorial Educación Superior Latinoamérica: Marisa de Anta DÉCIMO TERCERA EDICIÓN, 2013 D.R. © 2013 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Estado de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. núm. 1031. 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. ISBN 978-607-32-2190-0 ISBN e-book 978-607-32-2189-4 ISBN e-chapter 978-607-32-2188-7 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 16 15 14 13

www.pearsonenespañol.com

isbn 978-607-32-2190-0

CONTENIDO ABREVIADO

ELECTROMAGNETISMO

FÍSICA MODERNA

21 Carga eléctrica y campo eléctrico

687

37 Relatividad

22 Ley de Gauss

725

38 Fotones: ondas de luz que se

23 Potencial eléctrico

754

24 Capacitancia y dieléctricos

788

comportan como partículas

39 Partículas que se comportan

1223 1261

como ondas

1286

40 Mecánica cuántica

1328

41 Estructura atómica

1364

42 Moléculas y materia condensada

1405

883

43 Física nuclear

1439

28 Fuentes de campo magnético

923

44 Física de partículas y cosmología

1480

29 Inducción electromagnética

957

30 Inductancia

991

25 Corriente, resistencia y fuerza electromotriz

26 Circuitos de corriente directa 27 Campo magnético y fuerzas magnéticas

818 850

31 Corriente alterna

1021

32 Ondas electromagnéticas

1051

ÓPTICA

33 Naturaleza y propagación de la luz

1080

34 Óptica geométrica

1114

35 Interferencia

1163

36 Difracción

1190

APÉNDICES A B C D E F

El sistema internacional de unidades Relaciones matemáticas útiles El alfabeto griego Tabla periódica de los elementos Factores de conversión de unidades Constantes numéricas

A-1 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7

Respuestas a los problemas con número impar

A-9

Desarrollo de habilidades

E

l presente texto le permitirá desarrollar las habilidades básicas y avanzadas que le ayudarán a resolver una gran variedad de problemas de física. Las estrategias para resolver problemas indican a los estudiantes cómo enfocar tipos específicos de problemas. q Estrategia para resolver problemas 5.2

El gran conjunto de ejemplos u del texto facilita a los estudiantes la exploración, con exhaustivo detalle, de la solución de problemas desafiantes. Consistencia El formato de Identificar/Plantear/ Ejecutar/Evaluar, aplicado en todos los ejemplos, fomenta en los estudiantes el hábito de solucionar de manera reflexiva los problemas, trascendiendo el aspecto puramente matemático. Enfoque Se revisaron todos los ejemplos y las estrategias para resolver problemas para hacerlos más concisos. Ayuda visual En la mayoría de los ejemplos se usa con frecuencia un diagrama manuscrito que muestra lo que el estudiante debe dibujar.

Segunda ley de Newton: Dinámica de partículas

IDENTIFICAR los conceptos relevantes: Se tiene que usar la segunda 4. Identifique otras ecuaciones que podría necesitar, además de la seS S ley de Newton al resolver cualquier problema donde intervengan fuerma, Por ejemplo, quizá necesite una ma, gunda ley de Newton, gF zas que actúan sobre un cuerpo con aceleración. conso más de las ecuaciones para movimiento con aceleración aceler Identifique la incógnita, que suele ser una aceleración o una fuerza; relaciotante. Si intervienen dos o más cuerpos, podrían existir exi de lo contrario, habrá que usar otro concepto. Por ejemplo, suponga están nes entre sus movimientos; por ejemplo, cuando los cuerpos cu con qué rapidez se está moviendo un trineo que le piden determinar Ejemplo 5.17 Trineo con fricción II unidos con una cuerda. Exprese todas esas relaciones relacione en forma cuando llega al pie de una colina. La segunda ley de Newton le perde ecuaciones que relacionen las aceleraciones de los cuerpos. c del trineo; después, que usar las y la ecuación (5.5), obtenemos una expresión mitirá calculardelafricción aceleración El mismo trineo con el mismo coeficiente del ejemplo 5.16 De tendrá la segunda ecuación constante de la sección 2.4 y obtener la relaciones paramás aceleración se acelera hacia abajo por una pendiente pronunciada. Deduzca para fk: EJECUTAR la solución como sigue: velocidad a partir de la aceleración. una expresión para la aceleración en términos de g, a, mk y w. 1. Para cada objeto, determine las componentes de las fuerzas a lo n = mg cos a PLANTEAR el problema r siguiendo estos pasos: largo de cada eje de coordenadas. Cuando represente una fuerza = mkmgdecos 1. Elabore un dibujo sencillo de la situación que muestre los cuerpos cuerpo r s ƒk = men lín ondulada susacomponentes, marque con una línea kntérminos SOLUCIÓN en movimiento. Dibuje un diagrama de cuerpo cuerp r o libre para cada cada cuercuerel vector original para recordar no incluirlo dos veces. Sustituimos esto en la ecuación de launa componente x y despejamos a : IDENTIFICAR y PLANTEAR: El trineo acelerando, porfuerzas lo tanto, muestre quees actúan sobre po, queestá t todas las r el mismo. mismo. (La (La 2. Elabore lista de todas las cantidades xconocidas y desconocidas, de preciso usar la segunda ley de aceleración Newton endesuunforma dedepende las ecuaciocuerpo de las fuerzas que actúanmg sobre f sobre sen a + identificando 1- mk mg coslas a2incógnitas. = max nes (5.4). La incógnita es la aceleración abajo. las fuerzas que él ejerce sobre otros objetos). Asegúrese él, no de cuesta Asegúrese de de 3. Para cada objeto, escriba una ecuación individual de cada com- mk de cosla a2 ax = g1sen aponente El dibujo y el diagrama de cuerpo libre (figura 5.23) son casi los otro cuerpo de contestar la pregunta: “¿Qué ser capaz cuerp r o está aplicando aplicando segunda ley de Newton, en forma de las ecuaciones mismos que para el ejemplo 5.16. y defuerza la aceleración de su diagrama. Nunca incluya estaLafuerza?” f componente fue rza?” para cada incluya la la en (5.4). Además, escriba las ecuaciones adicionales que identificó i EVALUAR: Al igual que en el caso del trineo sin fricción del ejemplo pero lamcomponente x, de ax,cuerpo no lo libre; es, ¡no del trineo, ay, sigue siendo cero,cantidad en su diagrama es unaa fuerza! fuerza! el paso 4 de “Plantear”. (Se necesitan tantas ecuaciones ecuacion como in5.10, la aceleración no depende de la masa m del trineo. Esto es porque por lo que hemos dibujado la2.componente abajo con del peso como algebraico Identifique cuesta cada fuerza un símbolo para represenrepresencógnitas haya). todas las fuerzas que actúan sobre el trineo (peso, fuerza normal y un vector más largo que el de la fuerza de fricción (cuesta arriba). Por lo regular, una de las fuerzas será el peso del tar su magnitud. del 4. Realice el trabajo fácil: ¡los cálculos! Resuelva las ecuaciones ecu para fuerza de fricción cinética) son proporcionales a m. cuerpo; normalmente, lo mejor es identificarlo como w = mg. mg. obtener la(s) incógnita(s). Analicemos algunos casos especiales. Si la ladera es vertical EJECUTAR: Nos conviene expresar peso w = mg. Entonces, 3. Elijaellos ejescomo de coordenadas x y y para cada objeto y muéstrelos = g (el trineo está en (a = 90°) entonces, sen a = 1, cos a = 0 y a x utilizando la segunda ley de Newton en componentes, en cada es la didi- EVALUAR la respuesta: diagrama de cuerpo libre. No olvide indicar cuál es r ¿Su respuesta tiene las unidades caída libre). Para cierto valor de a, la aceleración es cero; esto pasa si unidade correctas? rección positiva de cada eje. En caso de que se conozca la dirección dirección (Cuando sea pertinente, utilice la conversión conv n ersión 1 N = 1 kg? m s2). ¿Tiene 1 - ƒ k2 = lama x a Fx = mg sendeala+aceleración, especísigno adecuado? val situación normalmente se simplifica sisen se elige elige a = mkelcos a algebraico y mk = tanSi a es posible, considere valores - mg cos a2 como = 0 la dirección positiva de uno de los q esperaba dirección los ejes. ejes. Si Si en en el el ficos o casos extremos, y compare los resultados con lo que a Fy = n + 1 esa Lo anterior concuerda el resultado de velocidad“¿El constante delestriPregúntese: resultado lógico?”. se aceleran en problema intervienen dos o más objetos y estos en didi- conintuitivamente. el cada ejemplo 5.16. Si el ángulo es incluso más pequeño, mk cos a ejes en para objeto. recciones distintas, se pueden usar distintos neo objeto.

5.23 Diagramas para este problema. a) La situación

b) Diagrama de cuerpo l...