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YOUNG • FREEDMAN SEARS • ZEMANSKY

Física universitaria CON FÍSICA MODERNA volumen 2

Decimosegunda edición

FACTORES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Longitud 1 m 5 100 cm 5 1000 mm 5 106 mm 5 109 nm 1 km 5 1000 m 5 0.6214 mi 1 m 5 3.281 ft 5 39.37 in 1 cm 5 0.3937 in 1 in. 5 2.540 cm 1 ft 5 30.48 cm 1 yd 5 91.44 cm 1 mi 5 5280 ft 5 1.609 km 1 Å 5 10210 m 5 1028 cm 5 1021 nm 1 milla náutica 5 6080 ft 1 año luz 5 9.461 3 1015 m Área 1 cm2 5 0.155 in2 1 m2 5 104 cm2 5 10.76 ft2 1 in2 5 6.452 cm2 1 ft 5 144 in2 5 0.0929 m2 Volumen 1 litro 5 1000 cm3 5 1023 m3 5 0.03531 ft3 5 61.02 in3 1 ft3 5 0.02832 m3 5 28.32 litros 5 7.477 galones 1 galón 5 3.788 litros Tiempo 1 min 5 60 s 1 h 5 3600 s 1 d 5 86,400 s 1 año 5 365.24 d 5 3.156 3 107 s Ángulo 1 rad 5 57.30° 5 180°/p 1° 5 0.01745 rad 5 p/180 rad 1 revolución 5 360° 5 2p rad 1 rev/min (rpm) 5 0.1047 rad/s Rapidez 1 m/s 5 3.281 ft/s 1 ft/s 5 0.3048 m/s 1 mi/min 5 60 mi/h 5 88 ft/s 1 km/h 5 0.2778 m/s 5 0.6214 mi/h 1 mi/h 5 1.466 ft/s 5 0.4470 m/s 5 1.609 km/h 1 furlong/14 días 5 1.662 3 1024 m/s

Aceleración 1 m/s 2 5 100 cm/s2 5 3.281 ft/s2 1 cm/s2 5 0.01 m/s2 5 0.03281 ft/s2 1 ft/s2 5 0.3048 m/s2 5 30.48 cm/s2 1 mi/h # s 5 1.467 ft/s2 Masa 1 kg 5 103 g 5 0.0685 slug 1 g 5 6.85 3 1025 slug 1 slug 5 14.59 kg 1 u 5 1.661 3 10227 kg 1 kg tiene un peso de 2.205 lb cuando g 5 9.80 m>s2 Fuerza 1 N 5 105 dinas 5 0.2248 lb 1 lb 5 4.448 N 5 4.448 3 105 dinas Presión 1 Pa 5 1 N/m2 5 1.450 3 1024lb/in2 5 0.209 lb/ft2 1 bar 5 105 Pa 1 lb/in2 5 6895 Pa 1 lb/ft2 5 47.88 Pa 1 atm 5 1.013 3 105 Pa 5 1.013 bar 5 14.7 lb/in2 5 2117 lb/ft2 1 mm Hg 5 1 torr 5 133.3 Pa Energía 1 J 5 107ergs 5 0.239 cal 1 cal 5 4.186 J (con base en caloría de 15°) 1 ft # lb 5 1.356 J 1 Btu 5 1055 J 5 252 cal 5 778 ft # lb 1 eV 5 1.602 3 10219 J 1 kWh 5 3.600 3 106 J Equivalencia masa-energía 1 kg 4 8.988 3 1016 J 1 u 4 931.5 MeV 1 eV 4 1.074 3 1029 u Potencia 1 W 5 1 J/s 1 hp 5 746 W 5 550 ft # lb/s 1 Btu/h 5 0.293 W

CONSTANTES NUMÉRICAS Constantes físicas fundamentales* Nombre

Símbolo

Valor

Rapidez de la luz Magnitud de carga del electrón Constante gravitacional Constante de Planck Constante de Boltzmann Número de Avogadro Constante de los gases Masa del electrón Masa del protón Masa del neutrón Permeabilidad del espacio libre Permitividad del espacio libre

c e G h k NA R me mp mn m0 P0 5 1/m 0c 2 1/4pP0

2.99792458 3 108 m/s 1.60217653(14) 3 10219 C 6.6742(10) 3 10211 N # m2/kg2 6.6260693(11) 3 10234 J # s 1.3806505(24) 3 10223 J/K 6.0221415(10) 3 1023 moléculas/mol 8.314472(15) J/mol # K 9.1093826(16) 3 10231 kg 1.67262171(29) 3 10227 kg 1.67492728(29) 3 10227 kg 4p 3 1027 Wb/A # m 8.854187817 c 3 10212 C2/N # m2 8.987551787 c 3 109 N # m2/C2

Otras constante útiles Equivalente mecánico del calor Presión atmosférica estándar Cero absoluto Electrón volt Unidad de masa atómica Energía del electrón en reposo Volumen del gas ideal (0 °C y 1 atm) Aceleración debida a la gravedad (estándar)

1 atm 0K 1 eV 1u m ec 2 g

4.186 J/cal (15° caloría ) 1.01325 3 105 Pa 2273.15 °C 1.60217653(14) 3 10219 J 1.66053886(28) 3 10227 kg 0.510998918(44) MeV 22.413996(39) litros/mol 9.80665 m/s2

*Fuente: National Institute of Standards and Technology (http://physics.nist.gov/cuu). Los números entre paréntesis indican incertidumbre en los dígitos finales del número principal; por ejemplo, el número 1.6454(21) significa 1.6454 6 0.0021. Los valores que no indican incertidumbre son exactos.

Datos astronómicos† Cuerpo

Masa (kg)

Sol Luna Mercurio Venus Tierra Marte Júpiter Saturno Urano Neptuno Plutón‡

1.99 7.35 3.30 4.87 5.97 6.42 1.90 5.68 8.68 1.02 1.31

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

1030 1022 1023 1024 1024 1023 1027 1026 1025 1026 1022

Radio (m)

Radio de la órbita (m)

Periodo de la órbita

6.96 3 108 1.74 3 106 2.44 3 106 6.05 3 106 6.38 3 106 3.40 3 106 6.91 3 107 6.03 3 107 2.56 3 107 2.48 3 107 1.15 3 106

— 3.84 3 108 5.79 3 1010 1.08 3 1011 1.50 3 1011 2.28 3 1011 7.78 3 1011 1.43 3 1012 2.87 3 1012 4.50 3 1012 5.91 3 1012

— 27.3 d 88.0 d 224.7 d 365.3 d 687.0 d 11.86 y 29.45 y 84.02 y 164.8 y 247.9 y

†

Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory Solar System Dynamics Group (http://ssd.jlp.nasa.gov) y P. Kenneth Seidelmann, ed., Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac (University Science Books, Mill Valley, CA, 1992), pp. 704-706. Para cada cuerpo, “radio” es el radio en su ecuador y “radio de la órbita” es la distancia media desde el Sol (en el caso de los planetas) o desde la Tierra (en el caso de la Luna).

‡

En agosto de 2006 la Unión Astronómica Internacional reclasificó a Plutón y a otros pequeños objetos que giran en órbita alrededor del Sol como “planetas enanos”.

SEARS • ZEMANSKY

física unIverSitaria CON FÍSICA MODERNA Volumen 2

ESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS EST R AT EG IA PAR A RESOLVE R PROBLE MAS

PÁGI NA

EST R AT EG IA PAR A RESOLVE R PROBLE MAS

PÁGI NA

21.1

Ley de Coulomb

719

31.1

Circuitos de corriente alterna

1073

21.2

Cálculos de campo eléctrico

728

32.1

Ondas electromagnéticas

1103

22.1

Ley de Gauss

762

33.1

Reflexión y refracción

1128

23.1

Cálculo del potencial eléctrico

794

33.2

Polarización lineal

1138

24.1

Capacitancia equivalente

822

34.1

Formación de imágenes con espejos

1168

24.2

Dieléctricos

831

34.2

Formación de imágenes por lentes delgadas 1180

25.1

Potencia y energía en los circuitos

865

35.1

Interferencia en películas delgadas

1221

26.1

Resistores en serie y en paralelo

884

37.1

Dilatación del tiempo

1276

26.2

Reglas de Kirchhoff

888

37.2

Contracción de la longitud

1281

27.1

Fuerzas magnéticas

921

37.3

Transformaciones de Lorentz

1286

27.2

Movimiento en campos magnéticos

927

38.1

Fotones

1312

28.1

Cálculo de campos magnéticos

961

39.1

Partículas y ondas

1351

28.2

Ley de Ampère

973

41.1

Estructura atómica

1405

29.1

Ley de Faraday

999

43.1

Propiedades nucleares

1474

30.1

Inductores en circuitos

1041

ACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM O NLINE

www.masteringphysics.com 10.1 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12 11.13 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 13.1

Propiedades de las ondas mecánicas Fuerza eléctrica: ley de Coulomb Fuerza eléctrica: principio de superposición Fuerza eléctrica: superposición (cuantitativa) Campo eléctrico: carga puntual Campo eléctrico debido a un dipolo Campo eléctrico: problemas Flujo eléctrico Ley de Gauss Movimiento de una carga en un campo eléctrico: introducción Movimiento en un campo eléctrico: problemas Potencial eléctrico: introducción cualitativa Potencial, campo y fuerza eléctricos Energía potencial eléctrica y potencial Circuitos de CD en serie (cualitativos) Circuitos de CD en paralelo Diagramas de circuitos de CD Uso de amperímetros y voltímetros Uso de las leyes de Kirchhoff Capacitancia Capacitores en serie y en paralelo Constantes de tiempo de circuitos Campo magnético de un alambre

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

Campo magnético de una espira Campo magnético de un solenoide Fuerza magnética sobre una partícula Fuerza magnética sobre un alambre Par de torsión magnético sobre una espira Espectrómetro de masas Selector de velocidad Inducción electromagnética Fuerza electromotriz de movimiento El circuito RL Circuitos de CA: el oscilador RLC Circuitos de CA: el oscilador excitador Reflexión y refracción Reflexión interna total Aplicaciones de la refracción Óptica geométrica: espejos planos Espejos esféricos: diagramas de rayos Espejos esféricos: ecuación del espejo Espejos esféricos: aumento lineal m Espejos esféricos: problemas Diagramas de rayos de lentes delgadas Lentes delgadas convergentes Lentes delgadas divergentes Sistemas de dos lentes Interferencia de dos fuentes: introducción Interferencia de dos fuentes: preguntas cualitativas Interferencia de dos fuentes: problemas

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

La rejilla: introducción y preguntas La rejilla: problemas Difracción desde una sola ranura Difracción en orificios circulares Poder de resolución Óptica física: polarización Relatividad del tiempo Relatividad de la longitud Efecto fotoeléctrico Dispersión de Compton Interferencia de electrones Principio de incertidumbre Paquetes de ondas El modelo de Bohr Espectroscopía El láser Dispersión de partículas Energía de enlace nuclear Fusión Radiactividad Física de partículas Diagramas de energía potencial Partícula en una caja Pozos de potencial Barreras de potencial

REVISIÓN TÉCNICA MÉXICO Alberto Rubio Ponce Gabriela Del Valle Díaz Muñoz Héctor Luna García José Antonio Eduardo Roa Neri

Robert Sánchez Cano

Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco

Fernando Molina Focazzio

Ricardo Pintle Monroy Rafael Mata Carlos Gutiérrez Aranzeta Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Zacatenco

Marcela Martha Villegas Garrido Francisco J. Delgado Cepeda Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México

Lázaro Barajas de la Torre Lucio López Cavazos Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Querétaro

José Arturo Tar Ortiz Peralta Omar Olmos López Víctor Bustos Meter José Luis Salazar Laureles Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Toluca

Daniel Zalapa Zalapa Centro de Enseñanza Técnica Industrial Guadalajara

Lorena Vega López Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Universidad de Guadalajara

Sergio Flores Instituto de Ingeniería y Tecnología Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

ARGENTINA Ema Aveleyra Universidad de Buenos Aires Buenos Aires

Alerino Beltramino UTN Regional Buenos Aires Buenos Aires

Universidad Autónoma de Occidente Cali

Pontificia Universidad Javeriana Bogotá

Jaime Isaza Ceballos Escuela Colombiana de Ingeniería Bogotá

COSTA RICA Diego Chaverri Polini Universidad Latina de Costa Rica San José

Juan Meneses Rimola Instituto Tecnológico de Costa Rica Cartago

Randall Figueroa Mata Universidad Hispanoamericana San José

ESPAÑA José M. Zamarro Minguell Universidad de Murcia Campus del Espinardo Murcia

Fernando Ribas Pérez Universidad de Vigo Escola Universitaria de Enxeñería Técnica Industrial Vigo

Stefano Chiussi Universidad de Vigo Escola Técnica Superior de Enxeñeiros de Telecomunicación Vigo

Miguel Ángel Hidalgo Universidad de Alcalá de Henares Campus Universitario Alcalá de Henares

PERÚ Yuri Milachay Vicente Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas Lima

Miguel Ángel Altamirano UTN Regional Córdoba Córdoba

COLOMBIA Álvaro Andrés Velásquez Torres Universidad EAFIT Medellín

VENEZUELA

Mario Caicedo Álvaro Restuccia Jorge Stephany Universidad Simón Bolívar Caracas

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física unIverSitaria CON FÍSICA MODERNA Decimosegunda edición volumen 2

HUGH D. YOUNG CARNEGIE MELLON UNIVERSITY

ROGER A. FREEDMAN UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA CON LA COLABORACIÓN DE

A. LEWIS FORD texas a&m university TRADUCCIÓN

JAVIER ENRÍQUEZ BRITO traductor profesional especialista en el área de ciencias REVISIÓN TÉCNICA

RIGEL GÁMEZ LEAL GABRIEL ALEJANDRO JARAMILLO MORALES ÉDGAR RAYMUNDO LÓPEZ TÉLLEZ FRANCISCO MIGUEL PÉREZ RAMÍREZ facultad de ingeniería universidad nacional autónoma de méxico

Addison-Wesley

Datos de catalogación bibliográfica YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN Física universitaria, con física moderna volumen 2. Decimosegunda edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009 ISBN: 978-607-442-304-4 Área: Ciencias Formato: 21 3 27 cm

Páginas: 896 th

Authorized adaptation from the English language edition, entitled University Physics with Modern Physics 12 ed. (chapters 21-44), by Hugh D. Young, Roger A. Freedman; contributing author, A. Lewis Ford published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, Copyright © 2008. All rights reserved. ISBN 9780321501219 Adaptación autorizada de la edición en idioma inglés, titulada University Physics with Modern Physics 12ª ed. (capítulos 21-44), de Hugh D. Young, Roger A. Freedman; con la colaboración de A. Lewis Ford, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, Copyright © 2008. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor:

Rubén Fuerte Rivera e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco Supervisor de producción: Enrique Trejo Hernández Edición en inglés Vice President and Editorial Director: Adam Black, Ph.D. Senior Development Editor: Margot Otway Editorial Manager: Laura Kenney Associate Editor: Chandrika Madhavan Media Producer: Matthew Phillips Director of Marketing: Christy Lawrence Managing Editor: Corinne Benson Production Supervisor: Nancy Tabor Production Service: WestWords, Inc. Illustrations: Rolin Graphics Text Design: tani hasegawa

Cover Design: Yvo Riezebos Design Manufacturing Manager: Pam Augspurger Director, Image Resource Center: Melinda Patelli Manager, Rights and Permissions: Zina Arabia Photo Research: Cypress Integrated Systems Cover Printer: Phoenix Color Corporation Printer and Binder: Courier Corporation/Kendallville Cover Image: The Millau Viaduct, designed by Lord Norman Foster, Millau, France. Photograph by Jean-Philippe Arles/Reuters/Corbis

DECIMOSEGUNDA EDICIÓN VERSIÓN IMPRESA, 2009 DECIMOSEGUNDA EDICIÓN E-BOOK, 2009 D.R. © 2009 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500-5° piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México e-mail: [email protected] Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Addison-Wesley 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. Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 – 13 12 11 10

Addison-Wesley es una marca de

www.pearsoneducacion.net

ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-442-304-4 ISBN E-BOOK: 978-607-442-307-5

CONTENIDO BREVE Electromagnetismo

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Física moderna

Carga eléctrica y campo eléctrico

709

Ley de Gauss

750

Potencial eléctrico

780

Capacitancia y dieléctricos

815

Corriente, resistencia y fuerza electromotriz

846

Circuitos de corriente directa

881

Campo magnético y fuerzas magnéticas

916

Fuentes de campo magnético

957

Inducción electromagnética

993

Inductancia

1030

Corriente alterna

1061

Ondas electromagnéticas

1092

Óptica

33 34 35 36

Naturaleza y propagación de la luz

1121

Óptica geométrica

1157

Interferencia

1207

Difracción

1234

37 38 39 40 41 42 43 44

Relatividad

1268

Fotones, electrones y átomos

1307

La naturaleza ondulatoria de las partículas

1349

Mecánica cuántica

1375

Estructura atómica

1401

Moléculas y materia condensada

1433

Física nuclear

1468

Física de partículas y cosmología

1509

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 Respuestas a los problemas con número impar

A-1 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7 A-9

SOBRE LOS AUTORES Hugh D. Young es profesor emérito de física en Carnegie Mellon University, en Pittsburgh, PA. Cursó sus estudios de licenciatura y posgrado en Carnegie Mellon, donde obtuvo su doctorado en teoría de partículas fundamentales bajo la dirección de Richard Cutkosky, hacia el final de la carrera académica de éste. Se unió al claustro de profesores de Carnegie Mellon en 1956 y también ha sido profesor visitante en la Universidad de California en Berkeley durante dos años. La carrera del profesor Young se ha centrado por completo en la docencia en el nivel de licenciatura. Ha escrito varios libros de texto para ese nivel y en 1973 se convirtió en coautor de los bien conocidos libros de introducción a la física de Francis Sears y Mark Zemansky. A la muerte de éstos, el profesor Young asumió toda la responsabilidad de las nuevas ediciones de esos textos, hasta que se le unió el profesor Freedman para elaborar Física Universitaria. El profesor Young practica con entusiasmo el esquí, el montañismo y la caminata. También ha sido durante varios años organista asociado en la Catedral de San Pablo, en Pittsburgh, ciudad en la que ha ofrecido numerosos recitales. Durante el verano viaja con su esposa Alice, en especial a Europa y a la zona desértica de los cañones del sur de Utah.

Roger A. Freedman es profesor en la Universidad de California, en Santa Bárbara (UCSB). El doctor Freedman estudió su licenciatura en los planteles de San Diego y Los Ángeles de la Universidad de California, y realizó su investigación doctoral en teoría nuclear en la Universidad de Stanford bajo la dirección del profesor J. Dirk Walecka. Llegó a UCSB en 1981, después de haber sido durante tres años profesor e investigador en la Universidad de Washington. En UCSB el doctor Freedman ha impartido cátedra tanto en el departamento de Física como en la Escuela de Estudios Creativos, un organismo de la universidad que da cabida a los estudiantes con dotes y motivación para el arte. Ha publicado artícu...