SEARS Y ZEMANSKY FÍSICA UNIVERSITARIA 14ta. edición, vol. 1 PDF

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SEARS Y ZEMANSKY FÍSICA UNIVERSITARIA con Física Moderna 1 YOUNG Y FREEDMAN FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Longitud Aceleración 1 m = 100 cm = 1000 mm = 106 mm = 109 nm 1 m>s2 = 100 cm>s2 = 3.281 ft> t s2 2 2 1 km = 1000 m = 0.6214 mi 1 cm>s = 0.01 m>s = 0.03281 ft> t s2 1 m = ...

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SEARS Y ZEMANSKY

FÍSICA UNIVERSITARIA con Física Moderna 1

YOUNG Y FREEDMAN

FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Longitud 1 m = 100 cm = 1000 mm = 106 mm = 109 nm 1 km = 1000 m = 0.6214 mi 1 m = 3.281 ft = 39.37 in 1 cm = 0.3937 in 1 in = 2.540 cm 1 ft = 30.48 cm 1 yd = 91.44 cm 1 mi = 5280 ft = 1.609 km 1 Å = 10-10 m = 10-8 cm = 10-1 nm 1 milla náutica = 6080 ft 1 año luz = 9.461 * 1015 m

Área 1 cm2 = 0.155 in 2 1 m2 = 104 cm2 = 10.76 ft2 1 in 2 = 6.452 cm2 1 ft2 = 144 in 2 = 0.0929 m2

Volumen 1 litro = 1000 cm3 = 10-3 m3 = 0.03531 ft3 = 61.02 in 3 1 ft3 = 0.02832 m3 = 28.32 litros = 7.477 galones 1 galón = 3.788 litros

Tiempo 1 min = 60 s 1 h = 3600 s 1 día = 86,400 s 1 año = 365.24 d = 3.156 * 107 s

Ángulo 1 rad = 57.30° = 180°>p 1° = 0.01745 rad = p>180 rad 1 revolución = 360° = 2p rad 1 rev>min 1 rpm2 = 0.1047 rad>s

Rapidez 1 m>s = 3.281 ft> ts 1 ft> t s = 0.3048 m>s 1 mi>min = 60 mi>h = 88 ft> ts 1 km>h = 0.2778 m>s = 0.6214 mi>h 1 mi>h = 1.466 ft> t s = 0.4470 m>s = 1.609 km>h 1 Furlong>14 días = 1.662 * 10-4 m>s

Aceleración t s2 1 m>s2 = 100 cm>s2 = 3.281 ft> 2 2 1 cm>s = 0.01 m>s = 0.03281 ft> t s2 2 2 1 ft> t s = 0.3048 m>s = 30.48 cm>s2 1 mi>h # s = 1.467 ft> t s2 Masa 1 kg = 103 g = 0.0685 slugs 1 g = 6.85 * 10-5 slugs 1 slug = 14.59 kg 1 u = 1.661 * 10-27 kg 1 kg tiene un peso de 2.205 lb cuando g = 9.80 m>s2 Fuerza 1 N = 105 dinas = 0.2248 lb 1 lb = 4.448 N = 4.448 * 105 dinas Presión 1 Pa = 1 N>m2 = 1.450 * 10- 4 lb>in 2 = 0.0209 lb>ft2 1 bar = 105 Pa 1 lb>in 2 = 6895 Pa 1 lb>ft2 = 47.88 Pa 1 atm = 1.013 * 105 Pa = 1.013 bar = 14.7 lb>in 2 = 2117 lb>ft2 1 mm Hg = 1 torr = 133.3 Pa Energía 1 J = 107 ergs = 0.239 cal 1 cal = 4.186 J 1basada en caloría de 15° 2 1 ft # lb = 1.356 J 1 Btu = 1055 J = 252 cal = 778 ft # lb 1 eV = 1.602 * 10-19 J 1 kWh = 3.600 * 106 J Equivalencia masa-energía 1 kg 4 8.988 * 1016 J 1 u 4 931.5 MeV 1 eV 4 1.074 * 10-9 u Potencia 1 W = 1 J>s 1 hp = 746 W = 550 ft # lb>s 1 Btu>h = 0.293 W

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FÍSICA UNIVERSITARIA CON FÍSICA MODERNA 1

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FÍSICA UNIVERSITARIA CON FÍSICA MODERNA 1

HUGH D. YOUNG ROGER A. FREEDMAN University of California, Santa Barbara CON LA CONTRIBUCIÓN DE

A. LEWIS FORD Texas A&MU niversity

TRADUCCIÓN

Ana Elizabeth García Hernández Traductora especialista en ciencias REVISIÓN TÉCNICA

Bertha Molina Brito José Ignacio Cabrera Martínez Pedro McCumber Chapa Felipe Miguel Álvarez Siordia Alejandro Bautista Orozco Facultad de Ciencias Universidad Nacional Autónoma de México Daniel Esquivel Velazquez Abraham Laurencio Martínez Bautista Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México

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Datos de catalogación bibliográfica YOUNG, HUGH D., FREEDMAN, ROGER A. Física universitaria con física moderna 1 Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2018 ISBN: 978-607-32-4439-8 Área: Ciencias Formato: 21 x 27 cm

Páginas: 760

Authorized translation from the English Language edition entitled University physics with modern physics, 14th Edition, (capítulos 1–20), by Hugh D. Young, Roger A. Freedman, A. Lewis Ford, published by Pearson Education, Inc., Copyright © 2016. All rights reserved. ISBN 9780321973610 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés titulada University physics with modern physics, 14th Edition (capítulos 1–20), por Hugh D. Young, Roger A. Freedman, A. Lewis Ford, publicada por Pearson Education, Inc., Copyright © 2016. Todos los derechos reservados. 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 ■ Coordinadora de desarrollo de contenidos: Lilia Moreno ■ Editora especialista en contenidos de aprendizaje: Rosa Díaz Sandoval ■ Coordinadora de arte y diseño: Mónica Galván ■ Editor de desarrollo: Bernardino Gutiérrez Hernández ■ Traductora: Ana Elizabeth García Hernández ■ Correctora de estilo: Lourdes Amador ■ Gestor de arte y diseño: José Hernández Garduño ■ Lector de pruebas: Guillermo González ■ Diseñador de interiores: FOCA Grupo Editorial ■ Diseñador de portada: FOCA Grupo Editorial ■ Composición y diagramación: FOCA Grupo Editorial Esta edición en español es la única autorizada. Contacto: [email protected] Primera edición, 2018

ISBN LIBRO IMPRESO: 978-607-32-4439-8 ISBN LIBRO E-BOOK: 978-607-32-4441-1

D.R. © 2018 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, México, Ciudad de México, C. P. 01210 Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. Núm. 1031

www.pearsonenespañol.com

Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 21 20 19 18

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, fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.

Pearson Hispanoamérica Argentina ■ Belice ■ Bolivia ■ Chile ■ Colombia ■ Costa Rica ■ Cuba ■ República Dominicana ■ Ecuador ■ El Salvador ■ Guatemala ■ Honduras ■ México ■ Nicaragua ■ Panamá ■ Paraguay ■ Perú ■ Uruguay ■ Venezuela

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AGRADECIMIENTOS A LA EDICIÓN EN ESPAÑOL Pearson Educación agradece a los centros de estudio y profesores usuarios de esta obra por su apoyo y retroalimentación, elemento fundamental para esta nueva edición de Física universitaria con física moderna 1. MÉXICO Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Eléctrica Aline Marina Ortega Martínez Fernando Bucio Sánchez Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas Agustín Morales Hernández Carlos Cruz Cruz José de Jesús Silva Lomelí Lev Guzmán Vargas Ramón Gómez Aguilar Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Guanajuato Fidel Córdoba Valdés Flavio Mancera Olivares Héctor Archivaldo Vega Lira José Marcos Falcón González Juan Arturo Aranda Ruiz Juan Erick Cerpa Calixto Omar Vargas Ferro Sinuhé Alejandro Pérez Payán Tecnológico de Monterrey Campus Aguascalientes Jessica Marcela Donnadieu Blanco Jorge Wellesley Bourke Juan Manuel Campos Sandoval Raúl Gutiérrez Perucho Tecnológico de Monterrey Campus Chihuahua Miguel Ángel López Mariño

Tecnológico de Monterrey Campus Laguna José Manuel Pardo Reguei Tecnológico de Monterrey Campus Monterrey Alfonso Serrano Heredia Carlos Manuel Hinojosa Espinosa Carlos Martínez Torteya Genaro Zavala Enríquez Jorge Alberto Lomas Treviño Omar Olmos López Santa Esmeralda Tejeda Torres Tecnológico de Monterrey Campus Sinaloa Edgar Alonso Chucuán Martínez Levy Noé Inzunza Camacho Tecnológico de Monterrey Campus Sonora Norte Jesús Leopoldo Montijo Durán Jesús Renato Montoya Morales José Manuel Nieto Jalil Julio Cesar Ávila Romero Lázaro Alberto Ferrer Moreno Leobardo López Pineda Óscar Vidal Arellano Tánori Parsons Christian Jeffrey Clive Ricardo Quihuis Hernández Tecnológico de Monterrey Campus Zacatecas César Omar Bueno Ortiz Tzinnia Gabriela Soto Bernal U-erre Luis Saénz Esparza

Tecnológico de Monterrey Campus Ciudad Obregón Fernando Rea Haro

Universidad Anáhuac Campus México Enrique Zamora Gallardo

Tecnológico de Monterrey Campus Guadalajara Alejandro Kadsumi Tomatani Sánchez Humberto Hipólito García Díaz José Julio Guedea Múzquiz José Luis García Luna Juan Carlos Quezada Andrade Juan Jesús Díaz Guevara Linda Margarita Medina Herrera Luz María Gutiérrez Robles María Eugenia Carbajal Rodarte Miguel Ángel Castillo Cervantes Omar Said Buassi Monroy

Universidad Autónoma de Guadalajara Alberto Federico Michaelis Quintana

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Universidad Autónoma de Nayarit Cesar Humberto Arroyo Villa Universidad Autónoma de Nuevo León Rogelio Martin de la Rosa Villarreal Flor Yanhira Rentería Baltiérrez Jorge Félix Benítez Chávez Universidad Autónoma de San Luis Potosí Raúl Martín Acosta Meza

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AGRADECIMIENTOS A LA EDICIÓN EN ESPAÑOL Universidad Autónoma del Estado de México Facultad de Ingeniería Balaam Valle Aguilar Juan Carlos Pérez Merlo Mireya Salgado Gallegos Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco Gabriela del Valle Universidad de Guadalajara CUCEI Alberto Nigoche Netro Eric Josafat Pulido Padilla Gerardo Ramos Larios Isabel Sainz Abascal Javier W. Lau Sánchez José Guzmán Hernández José Luis Romero Ibarra Marco Aurelio Martínez Aguilera Mario Flores Pérez Maryam Zuraya Fallad Chávez Omar Rafael Torres Cortez Universidad de La Salle Bajío Alan David Blanco Miranda Arturo Muñoz Lozano Gerardo Olvera Barajas Mauricio Salvatori Morales Universidad de Monterrey Héctor Antonio González Flores Universidad Iberoamericana Campus Santa Fe José Humberto Mondragón Suárez Lorena Arias Montaño Mauricio Doníz Hernández Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán C-4 Baruch Arriaga Morales Roberto Reyes Arce Yolanda Benítez Trejo Universidad Panamericana Campus Guadalajara Fidencio Tapia Rodríguez Gabriel Marcelo Rubio González Juan Carlos Beas Zepeda Juan Carlos Flores Miramontes Marcos Gómez Ortega Renato Salomón Arroyo

COSTA RICA Instituto Tecnológico de Costa Rica Carlos Adrián Jiménez Carballo Carlos Roberto Gutiérrez Chaves Dionisio Gutiérrez Fallas Gerardo Lacy Mora Universidad de Costa Rica Fernando Ureña Elizondo Herberth Morales Ríos José Ralph García Vindas Marcela Hernández Jiménez Miguel Araya Arguedas Randall Figueroa Mata Universidad Estatal a Distancia Diana Herrero Villareal Fernando Ureña Elizondo Universidad Fidélitas Georgina González Chacón Gerardo Noguera Vega Universidad Latina de Costa Rica Armando Ramón Nevares González Óscar Andrés Arroyo Chavarría Universidad Nacional Carlos Brenes Rodríguez Christian Chaverri Ramos Daniel Ballesteros Sakson Giovanni Sáenz Arce

EL SALVADOR Universidad Católica de El Salvador Néstor Josué Ramírez Martínez Universidad Centroamericana José Simeón Cañas Mauricio Grande Universidad de El Salvador Benancio Henríquez Miranda Carlos Eduardo Francia López Samuel Adolfo Dueñas Aparicio

GUATEMALA Universidad de San Carlos de Guatemala Angélica Becilia Pacheco Mazariegos Calixto Monteagudo Cordero Eric Josué Jacobs

Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla Mario Enrique López Medina

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CONTENIDO BREVE MECÁNICA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Unidades, cantidades físicas y vectores

1

Movimiento rectilíneo

34

Movimiento en dos o en tres dimensiones

67

Leyes de Newton del movimiento

101

Aplicación de las leyes de Newton

130

Trabajo y energía cinética

172

Energía potencial y conservación de la energía

203

Cantidad de movimiento, impulso y colisiones

237

Rotación de cuerpos rígidos

273

Dinámica del movimiento de rotación

303

Equilibrio y elasticidad

339

Mecánica de fluidos

369

Gravitación

398

Movimiento periódico

433

27 28 29 30 31 32

468 505

Temperatura y calor

545

Propiedades térmicas de la materia

584

Primera ley de la termodinámica

618

La segunda ley de la termodinámica

647

ELECTROMAGNETISMO 21 22 23 24 25 26

Carga eléctrica y campo eléctrico

683

Ley de Gauss

722

Potencial eléctrico

752

Capacitancia y dieléctricos

785

Corriente, resistencia y fuerza electromotriz

816

Circuitos de corriente directa

848

VOLUMEN 1: Capítulos 1–20

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Fuentes de campo magnético

921

Inducción electromagnética

955

Inductancia

990

Corriente alterna

1020

Ondas electromagnéticas

1050

33 34 35 36

Naturaleza y propagación de la luz

1078

Óptica geométrica

1111

Interferencia

1160

Difracción

1186

FÍSICA MODERNA 37 Relatividad 38 Fotones: ondas de luz que se comportan como partículas

TERMODINÁMICA 17 18 19 20

881

ÓPTICA

ONDAS/ACÚSTICA 15 Ondas mecánicas 16 Sonido y oído

Campo magnético y fuerzas magnéticas

39 40 41 42 43 44

1218 1254

Partículas que se comportan como ondas

1279

Mecánica cuántica I: Funciones de onda

1321

Mecánica cuántica II: Estructura atómica

1360

Moléculas y materia condensada

1407

Física nuclear

1440

Física de partículas y cosmología

1481

APÉNDICES A B C D E F G

El sistema internacional de unidades Relaciones matemáticas útiles El alfabeto griego Tabla periódica de los elementos Factores de conversión de unidades Constantes numéricas Datos astronómicos y prefijos de las potencias de 10

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

Respuestas a los problemas de número impar Créditos Índice

A-9 C-1 I-1

A-8

• VOLUMEN 2: Capítulos 21–44

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EL PUNTO DE REFERENCIA PARA LA CLARIDAD Y RIGOR esde su primera edición en inglés y en español, Física Universitaria de Sears y Zemansky ha sido famosa por su énfasis en los principios fundamentales y cómo aplicarlos. Este texto es conocido por su narrativa clara y completa y por su conjunto excepcionalmente amplio, profundo y reflexivo de los ejemplos presentados, herramientas clave para el desarrollo de la comprensión conceptual y las habilidades para resolver problemas. La presente edición en español, traducción de la decimocuarta edición en inglés, agrega nuevas características promovidas por la investigación de la enseñanza de la física. Un enfoque sobre el aprendizaje visual y nuevos tipos de problemas encabezan las mejoras destinadas a crear el mejor recurso de aprendizaje para los actuales estudiantes de física.

D

ENFOQUE PARA LA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS LOCALIZAR SU CENTRO DE GRAVEDAD MIENTRAS SE EJERCITA

La plancha (figura 11.8a 8 ) es una gran manera de fortalecer los músculos del abdomen, la espalda y los hombros. También puede utilizar esta posición de ejercicio para localizar su centro de gravedad. Sosteniendo la posición que simula una tabla con una báscula bajo sus dedos del pie y otra debajo de sus antebrazos, un atleta midió que el 66.0% de su peso estaba apoyado por sus antebrazos y el 34.0% por los dedos de los pies (es decir, las fuerzas normales totales de sus antebrazos y dedos de los pies eran de 0.660w y 0.340w, respectivamente, donde w es el peso del atleta). Él tiene una altura de 1.80 m y, en la posición de plancha, la distancia de sus dedos de los pies a la 11.8 Un atleta en posición de plancha. a) 1.8 11. . 80 m

1..53 11.5 .553 m

b)

EL ENFOQUE PARA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS basado en la investigación: IDENTIFICACIÓN, PLANTEAMIENTO, EJECUCIÓN y EVALUACIÓN, se utiliza en cada ejemplo; método que también se emplea en los manuales de soluciones del profesor y del estudiante, y en la guía de estudio (todos en inglés). Este enfoque coherente enseña a los estudiantes a resolver problemas cuidadosamente en lugar de aplicar directamente las matemáticas.

SOLUCIÓN

EJEMPLO 11.2

mitad de sus antebrazos es de 1.53 m. ¿Qué tan lejos de sus dedos de los pies está su centro de gravedad? SOLUCIÓN

IDENTIFICAR Y PLANTEAR: Se pueden usar las dos condiciones de equilibrio, ecuaciones (11.6), para un atleta en reposo. Por lo tanto, la fuerza y la torca netas sobre el atleta son iguales a cero. La figura 11.8b muestra un diagrama de cuerpo libre, junto con los ejes x y y, y la convención de que las torcas positivas van en sentido contrario a las manecillas del reloj. El peso w actúa en el centro de gravedad, que está entre los dos apoyos (como debe ser; vea la sección 11.2). Nuestra incógnita es la distancia Lcg, el brazo de palanca del peso con respecto a los dedos de los pies es T T, así que es razonable tomar las torcas con respecto a T T. La torca debida al peso es negativa ativa (tiende a causar una rotación en sentido de las manecillas del reloj eloj o alrededor de T T), y la torca debida a la fuerza normal hacia arribaa F que actúa ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS 3.1 MOVIMIENTO DE PROYECTILES en los antebrazos es positiva (tiende a causar una rotación ión en sentido contrario a las manecillas del reloj alrededor de T). T componentes de velocidad en un instante posterior. Asegúrese de EJECUTAR: La primera condición de equilibrio se satisface atisface NOTA: (figu- También son útiles aquí las estrategias utilizadas en las secque tiene tantas ecuaciones como incógnitas por determinar. En ra 11.8b): g Fx = 0 porque no hay componentes de fuerza rza x, enciones tanto 2.4 y 2.5 para problemas de aceleración constante en línea recta.la cualquier caso, usará las ecuaciones (3.19) a (3.22). Las ecuacioque g Fy = 0 porque 0.340w + 0.660w + (-w) = 0. Escribimos nes (3.23) a (3.26) también podrían ser útiles. ecuación de torca y despejamos Lcg: IDENTIFICAR los conceptos relevantes: El concepto clave que debegttR = 0.340w1 02 - wL cg + 0.660w1 1.53 m2 m = 0 mos recordar es que durante el movimiento de un proyectil, la acele- 3. Plantee el problema con palabras y luego tradúzcalo a símbolos. Por ejemplo, ¿cuándo llega la partícula a cierto punto? (es decir, ración es hacia abajo y tiene magnitud constante g. Observe que las L cg = 1.01 m ¿en qué valor de t?). ¿Dónde está la partícula cuando la velociecuaciones para el movimiento de proyectiles no son válidas durante dad tiene cierto valor? (es decir, ¿cuánto valen x y y cuando vx o EVALUAR: El centro de gravedad está ligeramente debajo a o del ombliaj el lanzamiento de una pelota, porque durante el lanzamiento actúan vy tienen ese valor?). Puesto que vy = 0 en el punto más alto de la go de nuestro atleta (como sucede con la mayoría de la gente) te) y mástanto cercala mano del lanzador como la gravedad. Las ecuaciones sólo se trayectoria, la pregunta “¿cuándo alcanza el proyectil su punto de sus antebrazos que de sus dedos de los pies; por eso sus antebrazos aplican después de que la pelota sale de la mano del lanzador. más alto?” equivale a “¿cuánto vale t cuando vy = 0?”. Asimismo, soportan la mayor parte de su peso. Puede comprobar nuestro estro resultado PLANTEAR el problema con los siguientes pasos: la pregunta “¿cuándo vuelve el proyectil a su altura inicial?” equiescribiendo la ecuación de la torca con respecto a los antebrazos F. Defina su sistema de coordenadas y dibuje sus ejes. Normalmente vale a “¿cuánto vale t cuando y = y0?”. Usted encontrará que su centro de gravedad está a 0.52 m de sus1.antebrazos, o (1.53 m) - (0.52 m) = 1.01 m de sus de...