REVISION TÉCNICA Misael Flores Rosas Departamento de Ciencias Básicas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional PDF

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Francis Weston Sears ; Mark W. Zemansky et al. Física universitaria 2 11a ed. México : Pearson Educación, 2004. v.2, 728 p. FÍSICA UNIVERSITARIA Volumen 2 con FÍSICA MODERNA Undécima edición F R A N C I S W. SEARS M A R K W. Z E M A N S K Y HUGH D. YOUNG R O G E R A. EREEDMAN CARNEGIE MEEEON UNIVERS...

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Francis Weston Sears ; Mark W. Zemansky et al. Física universitaria 2 11a ed. México : Pearson Educación, 2004. v.2, 728 p.

FÍSICA UNIVERSITARIA con FÍSICA MODERNA

Volumen 2

Undécima edición

F R A N C I S W. SEARS M A R K W. Z E M A N S K Y HUGH D. YOUNG CARNEGIE

MEEEON

R O G E R A. EREEDMAN

UNIVERSITY

UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA

CONTRIBUCIÓN DEL A U T O R

A. LEWIS F O R D TEXAS A & M U N I V E R S I T Y

TRADUCCIÓN M. en C. Héctor Javier Escalona y García Universidad Nacional Autónoma

de

México

REVISION TÉCNICA Misael Flores Rosas Departamento de Ciencias Básicas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional Carlos Gutiérrez Aranzeta Departamento de Ingeniería Eléctrica Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Instituto Politécnico Nacional Alfonso Serrano Heredia Director del Centro de Óptica Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey Jorge Lomas Treviño Departamento de Ciencias Básicas Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Monterrey

Gabriel Alejandro Jaramillo Morales Departamento de Tísica General y Química Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México María Elena Rodríguez Pérez Antonio Lara Barragán Gómez Departamento de Tísica Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería Universidad de Guadalajara José Rogan Castillo Departamento de Física Tacultad de Ciencias Universidad de Chile Fernando Molina Focazzio Departamento de Tísica Pontificia Universidad Javeriana Colombia

Marcela Villegas Garrido Elena Gabriela Cabral Velázquez Departamento de Tísica y Matemáticas Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México

M é x i c o • A r g e n t i n a • Brasil • C o l o m b i a • Costa R i c a • C h i l e • E c u a d o r España • G u a t e m a l a • P a n a m á • P e r ú • P u e r t o R i c o • U r u g u a y V • enezuel a

Datos de catalogación bibliográfica

SEARS, FRANCIS W., ZEMANSKY, MARK W., YOUNG, HUGH D. y FREEDMAN, ROGER A. Física universitaria con física moderna. Vol. 2. Undécima edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2005 ISBN: 970-26-0672-1 Área: Universitarios Formato: 21 x 27 cm

Páginas: 1008

Authorized translation from the English language edition, entitled University Physics with Modern Physics, Eleventh Edition, by Hugh D. Young and Roger A. Freedman, published by Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2004. All rights reserved. ISBN 0-8053-8684-X Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada University Physics with Modern Physics, Eleventh Edition, por Hugh D. Young and Roger A. Freedman, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Benjamin Cummings, Copyright © 2004. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada.

Edición en español Editor: Guillermo Trujano e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Jorge Bonilla Talavera Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño

Edición en inglés Executive Editor: Adam Black, Ph.D. Development Editors: David Chelton, Alice Houston Project Editors: Nancy Benton, Richard Dal Porto Production Editor, Art Coordinator, Copyeditor, Illustrator, Photo Editor, Permissions Editor, Proofreader, Compositor. Thompson Steele, Inc. Media Producer: Claire Masson Marketing Manager: Christy Lawrence Director of Marketing: Stacy Treco Art Director: Blake Kim Manufacturing Supervisor: Vivian McDougal Text and Cover Designer: Mark Ong, Side by Side Studios Cover Printer: Phoenix Color Corporation Printer and Binder: R.R. Donnelley & Sons Cover Photo: Image of London's Millennium Bridge created by Cimex Media, Ltd. http://www.cimexmedia.com Photo Credits: see page A l l

UNDÉCIMA EDICIÓN, 2005 D.R. © 2005 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V Atlacomulco 500, 5 Piso Col. Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] o

Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Benjamin Cummings 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. ISBN 970-26-0672-1 Impreso en México. Printed in Mexico.

®

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 08 07 06 05

CONTENIDO Volumen 1 MECÁNICA

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 *2.6

UNIDADES, CANTIDADES FÍSICAS Y V E C T O R E S La naturaleza de la física Cómo resolver problemas en física 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 Vectores unitarios Productos de vectores Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

3.5

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

4

EN EÍNEA R E C T A

40

Desplazamiento, tiempo y velocidad media Velocidad instantánea Aceleración media e instantánea Movimiento con aceleración constante Cuerpos en caída libre Velocidad y posición por integración Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

41 44 47 52 58 62 66 68

Fuerza e interacciones Primera ley de Newton Segunda ley de Newton Masa y peso Tercera ley de Newton Diagramas de cuerpo libre Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

5

A P E I C A C I Ó N DE EAS EE YES DE NEWTON

5.2 5.3 5.4 *5.5

6 3 3.1 3.2 3.3 3.4

M O V I M I E N T O EN D O S O TRES D I M E N S I O N E S

78

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

79 82 87 98

EEYES D E E M O V I M I E N T O DE N E W T O N

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

5.1

MOVIMIENTO

Velocidad relativa Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

6.1 6.2 6.3 6.4

Empleo de la primera ley de Newton: partículas en equilibrio Empleo de la segunda ley de Newton: dinámica de partículas Fuerzas de fricción Dinámica del movimiento circular Fuerzas fundamentales de la Naturaleza Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

TRABAJO Y ENERGÍA CINÉTICA Trabajo Trabajo y energía cinética Trabajo y energía con fuerzas variables Potencia Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

101 107 109

119 120 124 128 135 138 143 145 147

153 154 161 171 181 188 190 192

207 208 213 220 227 230 232

CONTENIDO

10.3

7

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

ENERGÍA POTENCIAE Y CONSERVACIÓN DE EA ENERGÍA Energía potencial gravitacional Energía potencial elástica Fuerzas conservativas y no conservativas Fuerza y energía potencial Diagramas de energía Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

10.4

241 242 253 260 265 268 271 273

10.5 10.6 10.7

11 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 *8.6

C A N T I D A D DE M O V I M I E N T O , IMPUESO Y CHOQUES 282 Cantidad de movimiento e impulso Conservación de la cantidad de movimiento Choques inelásticos Choques elásticos Centro de masa Propulsión a reacción Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

283 289 295 300 306 311 314 316

11.4 11.5

12 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 *9.6

R O T A C I Ó N DE CUERPOS RÍGIDOS Velocidad y aceleración angulares Rotación con aceleración angular constante Relación entre cinemática lineal y angular Energía en el movimiento rotacional Teorema de los ejes paralelos Cálculos de momento de inercia Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

327 328

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

333 335 339 345 347 350 352

*12.6 *12.7 12.8

13 10

D I N Á M I C A DEE MOVIMIENTO ROTACIONAL 10.1 10.2

Momento de torsión Momento de torsión y aceleración angular de un cuerpo rígido

361

13.1 13.2 13.3

362 13.4 365

Rotación de un cuerpo rígido sobre un eje móvil 370 Trabajo y potencia en movimiento rotacional 377 Cantidad de movimiento angular 379 Conservación de la cantidad de movimiento angular 382 Giróscopos y precesión 386 Resumen/Términos clave 390 Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas 392

EQUILIBRIO Y ELASTICIDAD 11.1 11.2 11.3

xvii

Condiciones del equilibrio Centro de gravedad Resolución de problemas de equilibrio de cuerpos rígidos Esfuerzo, tensión y módulos de elasticidad Elasticidad y plasticidad Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

GRAVITACIÓN Ley de la gravitación de Newton Peso Energía potencial gravitacional Movimiento de satélites Las leyes de Kepler y el movimiento de los planetas Distribuciones esféricas de masa Peso aparente y rotación terrestre Agujeros negros Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

MOVIMIENTO PERIÓDICO Descripción de la oscilación Movimiento armónico simple Energía en el movimiento armónico simple Aplicaciones del movimiento armónico simple

404 405 406 409 414 420 422 424

436 437 441 444 447 452 456 459 461 465 467

476 477 478 486 490

CONTENIDO

XVIII

13.6 El péndulo físico 13.7 Oscilaciones amortiguadas 13.8 Oscilaciones forzadas y resonancia Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

496 499 502 504 506

16.8 *16.9

El efecto Doppler Ondas de choque Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

621 627 631 633

17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7

Temperatura y equilibrio térmico Termómetros y escalas de temperatura Termómetros de gas y la escala Kelvin Expansión térmica Cantidad de calor Calorimetría y cambios de fase Mecanismos de transferencia de calor Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

641 642 644 646 652 657 663 671 673

TERMODINÁMICA 14 M E C Á N I C A DE F E U I D O S 17 TEMPERATURA Y CALOR 640 14.1 Densidad 14.2 14.3 14.4 14.5 *14.6

Presión en un fluido Flotación Flujo de fluidos Ecuación de Bernoulli Viscosidad y turbulencia Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ej ercicios/Problemas

515 515 517 523 526 528 533 536 538

ONDAS/ACÚSTICA 18 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8

16 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7

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 superposición Ondas estacionarias en una cuerda Modos normales de una cuerda Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

547 548 549 552 559 564 567 570 575 580 582

S O N I D O Y EE O Í D O

591

Ondas sonoras Rapidez de las ondas sonoras Intensidad del sonido Ondas sonoras estacionarias y modos normales Resonancia Interferencia de, ondas Pulsaciones

592 597 602 608 614 616 619

18.1 18.2 18.3 18.4 *18.5 18.6

19 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8

PROPIEDADES TÉRMICAS DE EA MATERIA

684

Ecuaciones de estado Propiedades moleculares de la materia Modelo cinético-molecular del gas ideal Capacidades caloríficas Rapideces moleculares Fases de la materia Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ej ercicios/Problemas

EA P R I M E R A EEY DE EA TERMODINÁMICA 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 adiabáticos para el gas ideal Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

685 692 694 702 706 708 712 714

723 723 725 728 729 735 737 738 741 745 747

20

LA

20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 *20.8

S E G U N D A EEY D E E A TERMODINÁMICA Dirección de los procesos termodinámicos Máquinas de calor Motores de combustión interna Refrigeradores La segunda ley de la termodinámica El ciclo de Carnot Entropía Interpretación microscópica de la entropía Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

23 754

POTENCIAL, EEÉCTRICO

23.1 23.2 23.3 23.4 23.5

755 756 759 761 764 766 773 779 783 785

24

Volumen 2

21 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7

22

CARGA EEECTRICA Y C A M P O EEÉCTRICO Carga eléctrica Conductores, aisladores y cargas nucleares Ley de Coulomb Campo eléctrico y fuerzas eléctricas Cálculos de campos eléctricos Líneas de campo eléctrico Dipolos eléctricos Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

LEY DE G A U S S 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5

Carga y flujo eléctrico Cálculo del flujo eléctrico Ley Gauss ? Aplicaciones de la ley de Gauss Cargas en conductores Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

CAPACITANCIA YDIEEÉCTRICOS 24.1 24.2 24.3

ELECTROMAGNETISMO

24.4 *24.5 *24.6

792 793 797 800 805 811 818 820 825 827

25

Capacitores y capacitancia Capacitores en serie y en paralelo Almacenamiento de energía en capacitores y energía de campo eléctrico Dieléctricos Modelo molecular de la carga inducida La ley de Gauss en los dieléctricos Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

870 878 885 890 893 896 898

908 909 914 918 922 928 930 932 934

CORRIENTE, RESISTENCIA Y FUERZA EEECTROMOTRI2; 942

25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 *25.6

836 837 840 844 848 855 860 862

Energía potencial eléctrica Potencial eléctrico Cálculo del potencial eléctrico Superficies equipotenciales Gradiente de potencial Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

869

26

Corriente eléctrica Resistividad Resistancia Fuerza electromotriz y circuitos Energía y potencia en circuitos eléctricos Teoría de la conducción metálica Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

943 947 950 955 962 966 970 972

CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA 980 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5

Resistores en serie y en paralelo 981 Reglas de Kirchhoff 986 Instrumentos de medición eléctrica 992 Circuitos R-C 997 Sistemas de distribución de energía 1002 Resumen/Términos clave 1007 Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas 1009

29.7

27

CAMPO MAGNÉTICO Y FUERZAS M A G N É T I C A S

1019

27.1 27.2 27.3

Magnetismo Campo magnético Líneas de campo magnético y flujo magnético 27.4 Movimiento de partículas con carga en un campo magnético 27.5 Aplicaciones del movimiento de partículas con carga 27.6 Fuerza magnética sobre un conductor que transporta corriente 27.7 Fuerza y momento de torsión en una espira de corriente *27.8 El motor de corriente continua 27.9 Efecto Hall Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

*29.8

1020 1022

FUENTES DE C A M P O MAGNÉTICO 28.1

1029 1033 1036 1039 1046 1048 1051 1053

28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 *28.8

1064

Campo magnético de una carga en movimiento Campo magnético de un elemento de corriente Campo magnético de un conductor recto que transporta corriente Fuerza entre conductores paralelos Campo magnético de una espira circular de corriente Ley de Ampere Aplicaciones de la ley de Ampere Materiales magnéticos Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

30

INDUCTANCIA 30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 30.6

1065 1068

31.1 31.2 31.3 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 LeydeLenz Fuerza electromotriz de movimiento Campos eléctricos inducidos Corrientes parásitas

1128 1133 1135 1137

1025

31 28

Corriente de desplazamiento y ecuaciones de Maxwell Superconductividad Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

32.3 32.4

1105 1106 1108 1118 1120 1123 1126

32.5 32.6

Inductancia mutua Autoinductancia e inductores Energía de campo magnético El circuito R-L El circuito L-C El circuito L-R-C en serie Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

CORRIENTE ALTERNA 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 Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 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 Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

1147 1148 1151 1156 1159 1164 1168 1171 1173

1181 1182 1184 1190 1195 1198 1201 1205 1207

1214 1215 1217 1223 1228 1234 1238 1240 1242

ÓPTICA 33

NATURALEZA Y P R O P A G A C I Ó N DE EA LUZ

33.1 33.2 33.3 *33.4 33.5 *33.6 33.7

34

34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7 34.8

35 35.1 35.2 35.3 35.4 35.5

36

1285 1286 1289 1299 1304 1313 1317 1321 1322 1327 1329

1558

Interferencia y fuentes coherentes Interferencia de luz de dos fuentes Intensidad en los patrones de interferencia Interferencia en películas finas Interferómetro de Michelson Resumen/Términos clave Preguntas para análisis/Ejercicios/Problemas

DIFRACCIÓN 36.1 36.2 36.3 36.4 36.5 36.6

1248 1250 1256 1259 1262 1270 1271 1275 1277

Reflexión y refracción en una superficie plana Reflexión en una superficie esférica Refracción en una superficie esférica Lentes delgadas Cámaras fotográficas E...