Serway 7 Edicion 2 Volumen PDF

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FISICA-SERWAY-VOL.2.pdf 3/9/08 16:35:47 00_Preliminares_Serway(2).indd ii 9/12/08 11:45:55 AM FÍSICA para ciencias e ingeniería con Física Moderna Volumen 2 Séptima edición 00_Preliminares_Serway(2).indd i 9/12/08 11:45:53 AM 00_Preliminares_Serway(2).indd ii 9/12/08 11:45:55 AM FÍSICA para ciencias...

Description

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FÍSICA

para ciencias e ingeniería con Física Moderna

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Volumen 2 Séptima edición

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FÍSICA

para ciencias e ingeniería con Física Moderna

Volumen 2 Séptima edición

Raymond A. Serway Emérito, James Madison University

John W. Jewett, Jr. California State Polytechnic University, Pomona Traducción Víctor Campos Olguín Traductor profesional

Revisión Técnica Misael Flores Rosas Profr. de Termodinámica Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional

Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur

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Física para ciencias e ingeniería con Física Moderna Volumen 2. Séptima edición. Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Javier Arellano Gutiérrez Director editorial Latinoamérica: José Tomás Pérez Bonilla Director de producción: Raúl D. Zendejas Espejel Editor: Sergio R. Cervantes González Editora de producción: Abril Vega Orozco Ilustrador: Rolin Graphics, Progressive Information Technologies, Lachina Publishing Services Diseño de portada: Patrick Devine Design Imagen de portada: Portada: © 2005 Tony Dunn; Contraportada: © 2005 Kurt Hoffman, Abra Marketing Composición tipográfica: EDITEC S.A. de C.V.

© D.R. 2009 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning™ es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Physics for Scientists and Engineers Volume 2, with modern Physics Seventh Edition Publicado en inglés por Brooks/Cole ©2008 ISBN: 0-495-11244-0 Datos para catalogación bibliográfica: Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Física para ciencias e ingeniería con física moderna. Volumen 2. Séptima edición. ISBN-13: 978-607-481-358-6 ISBN-10: 607-481-358-2 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

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Dedicamos este libro a nuestras esposas Elizabeth y Lisa, y a todos nuestros hijos y nietos por su amorosa comprensión cuando pasamos tiempo escribiendo en lugar de estar con ellos.

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27 28 29 30 31 32 33 34

Campos eléctricos 642 Ley de Gauss 673 Potencial eléctrico 692 Capacitancia y materiales dieléctricos 722 Corriente y resistencia 752 Circuitos de corriente directa 775 Campos magnéticos 808 Fuentes del campo magnético 837 Ley de Faraday 867 Inductancia 897 Circuitos de corriente alterna 923 Ondas electromagnéticas 952

© Thomson Learning/Charles D. Winters.

Parte 5 35 36 37 38

Parte 6 39 40 41 42 43 44 45 46

Contenido breve

641

FÍSICA MODERNA Relatividad 1112 Introducción a la física cuántica 1153 Mecánica cuántica 1186 Física atómica 1215 Moléculas y sólidos 1257 Estructura nuclear 1293 Aplicaciones de la física nuclear 1329 Física de las partículas y cosmología 1357

LUZ Y ÓPTICA

977

Naturaleza de la luz y leyes de óptica geométrica 978 Formación de las imágenes 1008 Interferencia de ondas de luz 1051 Patrones de difracción y polarización 1077

1111 Cortesía de Henry Leap y Jim Lehman.

23 24 25 26

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

Jhon W. Jewett, Jr.

Parte 4

Apéndices A-1 Respuestas a problemas con número impar A-25 Índice I-1

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PARTE 4 ELECTRICIDAD

Y MAGNETISMO

Capítulo 23 Campos eléctricos 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7

24.4

25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 25.6 25.7 25.8

641 642

673

Flujo eléctrico 673 Ley de Gauss 676 Aplicación de la ley de Gauss a varias distribuciones de carga 678 Conductores en equilibrio electrostático 682

Capítulo 25 Potencial eléctrico

Capítulo 26 Capacitancia y materiales dieléctricos 722 26.1 26.2 26.3 26.4

Propiedades de las cargas eléctricas 642 Objetos de carga mediante inducción 644 Ley de Coulomb 645 El campo eléctrico 651 Campo eléctrico de una distribución de carga continua 654 Líneas de campo eléctrico 659 Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico uniforme 661

Capítulo 24 Ley de Gauss 24.1 24.2 24.3

xiii

26.5 26.6 26.7

Definición de capacitancia 722 Cálculo de la capacitancia 724 Combinaciones de capacitores 727 Energía almacenada en un capacitor con carga 731 Capacitores con material dieléctrico 735 Dipolo eléctrico en un campo eléctrico 738 Descripción atómica de los materiales dieléctricos 740

Capítulo 27 Corriente y resistencia 27.1 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6

Diferencia de potencial y potencial eléctrico 692 Diferencias de potencial en un campo eléctrico uniforme 694 Potencial eléctrico y energía potencial a causa de cargas puntuales 697 Obtención del valor del campo eléctrico a partir del potencial eléctrico 701 Potencial eléctrico debido a distribuciones de carga continuas 703 Potencial eléctrico a causa de un conductor con carga 707 El experimento de la gota de aceite de Millikan 709 Aplicaciones de la electrostática 710

Capítulo 28 Circuitos de corriente directa 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6

29.1 29.2 29.3 29.4 29.5

29.6

775

Fuerza electromotriz 775 Resistores en serie y en paralelo 778 Leyes de Kirchhoff 785 Circuitos RC 788 Medidores eléctricos 794 Cableado doméstico y seguridad eléctrica 796

808

Campos y fuerzas magnéticas 809 Movimiento de una partícula con carga en un campo magnético uniforme 813 Aplicaciones del movimiento de partículas con carga en un campo magnético 816 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente 819 Momento de torsión sobre una espira de corriente en un campo magnético uniforme 821 El efecto Hall 825

Capítulo 30 Fuentes del campo magnético 837 30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 30.6 30.7

© Thomson Learning/Charles D. Winters

752

Corriente eléctrica 752 Resistencia 756 Modelo de conducción eléctrica 760 Resistencia y temperatura 762 Superconductores 762 Potencia eléctrica 763

Capítulo 29 Campos magnéticos

692

Contenido

Acerca de los autores Prefacio xiv Al estudiante xv

Ley de Biot-Savart 837 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 842 Ley de Ampère 844 Campo magnético de un solenoide 848 Ley de Gauss en el magnetismo 850 Magnetismo en la materia 852 Campo magnético de la Tierra 855

Capítulo 31 Ley de Faraday 867 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6

Leyes de inducción de Faraday 867 Fem de movimiento 871 Ley de Lenz 876 Fem inducida y campos eléctricos 878 Generadores y motores 880 Corrientes de Eddy 884

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Contenido

Capítulo 32 Inductancia 32.1 32.2 32.3 32.4 32.5 32.6

35.3

897

Autoinducción e inductancia 897 Circuitos RL 900 Energía en un campo magnético 903 Inductancia mutua 906 Oscilaciones en un circuito LC 907 Circuito RLC 911

Capítulo 33 Circuitos de corriente alterna 33.1 33.2 33.3 33.4 33.5 33.6 33.7 33.8 33.9

34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7

923

Fuentes de CA 923 Resistores en un circuito de CA 924 Inductores en un circuito de CA 927 Condensadores en un circuito de CA 929 Circuito RLC en serie 932 Potencia en un circuito de CA 935 Resonancia en un circuito RLC en serie 937 El transformador y la transmisión de potencia 939 Rectificadores y filtros 942

Capítulo 34 Ondas electromagnéticas 34.1

35.4 35.5 35.6 35.7 35.8

952

Corriente de desplazamiento y la forma general de la ley de Ampère 953 Ecuaciones de Maxwell y los descubrimientos de Hertz 955 Ondas electromagnéticas planas 957 Energía transportada por ondas electromagnéticas 961 Cantidad de movimiento y presión de radiación 963 Producción de ondas electromagnéticas por una antena 965 El espectro de las ondas electromagnéticas 966

Capítulo 36 Formación de las imágenes 36.1 36.2 36.3 36.4 36.5 36.6 36.7 36.8 36.9 36.10

37.1 37.2 37.3 37.4 37.5 37.6 37.7

977

35.1 35.2

Naturaleza de la luz 978 Mediciones de la rapidez de la luz 979

Condiciones para la interferencia 1051 Experimento de doble ranura de Young 1052 Ondas luminosas en interferencia 1054 Distribución de intensidad de la configuración de interferencia de doble ranura 1056 Cambio de fase debido a reflexión 1059 Interferencia en películas delgadas 1060 El interferómetro de Michelson 1064

38.1

38.4 38.5 38.6

Introducción a los patrones de difracción 1077 Patrones de difracción provenientes de rendijas angostas 1078 Resolución de una sola rendija y aberturas circulares 1083 Rejilla de difracción 1086 Difracción de los rayos X mediante cristales 1091 Polarización de las ondas luminosas 1093

PARTE 6 FÍSICA MODERNA

© Thomson Learning/Charles D. Winters

Capítulo 39 Relatividad

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1051

Capítulo 38 Patrones de difracción y polarización 1077

38.3

Capítulo 35 Naturaleza de la luz y leyes de óptica geométrica 978

1008

Imágenes formadas por espejos planos 1008 Imágenes formadas por espejos esféricos 1010 Imágenes formadas por refracción 1017 Lentes delgadas 1021 Aberraciones de las lentes 1030 La cámara fotográfica 1031 El ojo humano 1033 La lupa simple 1035 El microscopio compuesto 1037 El telescopio 1038

Capítulo 37 Interferencia de ondas de luz

38.2

PARTE 5 LUZ Y ÓPTICA

Aproximación de un rayo en óptica geométrica 981 La onda bajo reflexión 981 La onda bajo refracción 985 Principio de Huygens 990 Dispersión 992 Reflexión interna total 993

39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 39.6 39.7 39.8 39.9 39.10

1111

1112

Principio galileano de la relatividad 1113 Experimento de Michelson–Morley 1116 Principio de la relatividad de Einstein 1118 Consecuencias de la teoría especial de la relatividad 1119 Ecuaciones de transformación de Lorentz 1130 Ecuaciones de transformación de velocidad de Lorentz 1131 Movimiento lineal relativista 1134 Energía relativista 1135 Masa y energía 1139 Teoría general de la relatividad 1140

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Contenido

Capítulo 40 Introducción a la física cuántica 1153 40.1 40.2 40.3 40.4 40.5 40.6 40.7 40.8

Radiación de cuerpo negro e hipótesis de Planck 1154 Efecto fotoeléctrico 1160 Efecto Compton 1165 Fotones y ondas electromagnéticas 1167 Propiedades ondulatorias de las partículas 1168 Partícula cuántica 1171 Revisión del experimento de doble rejilla 1174 El principio de incertidumbre 1175

Capítulo 41 Mecánica cuántica 1186 41.1 41.2 41.3 41.4 41.5 41.6 41.7

Interpretación de la mecánica cuántica 1186 La partícula cuántica bajo condiciones frontera 1191 La ecuación de Schrödinger 1196 Una partícula en un pozo de altura finita 1198 Efecto túnel a través de una barrera de energía potencial 1200 Aplicaciones del efecto túnel 1202 El oscilador armónico simple 1205

Capítulo 42 Física atómica 1215 42.1 42.2 42.3 42.4 42.5 42.6 42.7 42.8

Espectros atómicos de los gases 1216 Los primeros modelos del átomo 1218 Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno 1219 Modelo cuántico del átomo de hidrógeno 1224 Las funciones de onda para el hidrógeno 1227 Interpretación física de los números cuánticos 1230 El principio de exclusión y la tabla periódica 1237 Más sobre los espectros atómicos: el visible y el rayo X 1241

42.9 42.10

Capítulo 43 Moléculas y sólidos 43.1 43.2 43.3 43.4 43.5 43.6 43.7 43.8

44.1 44.2 44.3 44.4 44.5 44.6 44.7 44.8

1257

Enlaces moleculares 1258 Estados de energía y espectros de moléculas 1261 Enlaces en sólidos 1268 Teoría de electrones libres en metales 1270 Teoría de banda en sólidos 1274 Conducción eléctrica en metales, aislantes y semiconductores 1276 Dispositivos semiconductores 1279 Superconductividad 1283

Algunas propiedades de los núcleos 1294 Energía de enlace nuclear 1299 Modelos nucleares 1300 Radiactividad 1304 Los procesos de decaimiento 1308 Radiactividad natural 1317 Reacciones nucleares 1318 Resonancia magnética nuclear y formación de imágenes por resonancia magnética 1319

Capítulo 45 Aplicaciones de la física nuclear 1329 45.1 45.2 45.3 45.4 45.5 45.6 45.7

Interacciones donde intervienen neutrones 1329 Fisión nuclear 1330 Reactores nucleares 1332 Fusión nuclear 1335 Daño por radiación 1342 Detectores de radiación 1344 Usos de la radiación 1347

Capítulo 46 Física de las partículas y cosmología 1357

46.4 46.5 46.6 46.7

© Thomson Learning/Charles D. Winters

1244

Capítulo 44 Estructura nuclear 1293

46.1 46.2 46.3

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Transiciones espontáneas y estimuladas Láser 1245

46.8 46.9 46.10 46.11 46.12

Fuerzas fundamentales en la naturaleza 1358 Positrones y otras antipartículas 1358 Mesones y el principio de la física de las partículas 1361 Clasificación de las partículas 1363 Leyes de conservación 1365 Partículas extrañas y extrañeza 1369 Determinación de patrones en las partículas 1370 Quarks 1372 Quarks multicolor 1375 El modelo estándar 1377 La conexión cósmica 1378 Problemas y perspectivas 1383

Apéndice A Tablas A–1 Tabla A.1 Tabla A.2

Factores de conversión A-1 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-3

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Contenido

Apéndice D Unidades del SI A-24

Apéndice B Repaso matemático A-4 B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8

Notación científica A-4 Álgebra A-5 Geometría A-9 Trigonometría A-10 Series de expansión A-12 Cálculo diferencial A-13 Cálculo integral A-16 Propagación de incertidumbre

D.1 D.2

Unidades del SI A-24 Algunas unidades del SI derivadas

A-24

Respuestas a problemas con número impar A-25 A-20

Índice

I-1

Apéndice C Tabla periódica de los elementos A-22

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Acerca de los autores

Raymond A. Serway recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology y es profesor emérito en la James Madison University. En 1990 recibió el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseñó durante 17 años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde dirigió investigación y enseñó de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich, Suiza, trabajó con K. Alex Müller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboró con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además de las primeras ediciones de este libro, el doctor Serway es coautor de Principles of Physics, cuarta edición; College Physics, séptima edición; Essentials of College Physics y Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics, publicado por Holt, Rinehart y Winston. Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 70 conferencias en reuniones profesionales. El doctor Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de calidad con sus cuatro hijos y ocho nietos.

John W. Jewett, Jr., obtuvo su doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseñó de 1974 a 1984. En la actualidad es profesor de física en la California State Polytechnic University, Pomona. A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo promotor de la educación en ciencias. Además de recibir cuatro becas National Science Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern Physics Institute. También dirigió el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and Creative Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar currícula efectiva en ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en el Richard Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California State Polythecnic University para 1991-1992, y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Association of Physics Teachers en 1998. Ha impartido más de 80 conferencias en reuniones profesionales, incluidas conferencias en eventos internacionales en China y Japón. Además de su trabajo en este libro, es coautor de Principles of Physics, cuarta edición, con el doctor Serway, y autor de The World of Physics... Mysteries, Magic and Myth. Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar y coleccionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más importante, le gusta pasar el tiempo con su esposa, Lisa y sus hijos y nietos.

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Prefacio

Al escribir esta séptima edición de Física para ciencias e ingeniería, continuamos nuestros esfuerzos actuales por mejorar la claridad de la presentación e incluir nuevas características pedagógicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y enseñanza. Al retroalimentar las sugerencias de los usuarios de la sexta edición, así como de los revisores, hemos clarificado el texto para satisfacer mejor las necesidades de los estudiantes y profesores. Este libro está pensado para un curso introductorio de física para estudiantes que se especializan en ciencia o ingeniería. Todo el contenido del libro en su versión amplia podría cubrirse en un curso de tre...