Fisica para ingenieria y ciencias - Bauer Vol.2

Fisica para ingenieria y ciencias - Bauer Vol.2

(Parte 1 de 11)

para ingeniería y ciencias con física moderna

Física volumen 2

Revisión técnica

Jorge Álvarez Díaz Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Cuernavaca, México

Enrique Adelaido Bravo Medina Universidad Nacional Autónoma de México

Ángel de Andrea González Universidad Carlos I, Madrid, España

Carlos Gutiérrez Aranzeta Instituto Politécnico Nacional, México

Joel Ibarra Escutia Instituto Tecnológico de Toluca

Adolfo Finck Pastrana Universidad Iberoamericana, Ciudad de México

Wendi Olga López Yépez Universidad Nacional Autónoma de México

Miguel Ángel Pascual Iglesias Universidad Politécnica de Madrid, España

Mauro Ricardo Pintle Monroy Instituto Politécnico Nacional, México

Víctor F. Robledo Rella Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de México

Honorino Rubio García Universidad de Oviedo, España

Marcela M. Villegas Garrido Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México para ingeniería y ciencias con física moderna

Física

Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García

Traducción: Francisco Sánchez Fragoso, Thomas Werner Bartenbach, Hugo Villagómez Velázquez FÍSICA PARA INGENIERÍA Y CIENCIAS, CON FÍSICA MODERNA. Volumen 2

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2011 respecto a la primera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN 978-607-15-0546-0

Traducido de la primera edición de University Physics with Modern Physics by Wolfgang Bauer and Gary D. Westfall Copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN: 978-0-07-285736-8

1234567890 1098765432101 Impreso en China Printed in China v3.1 Linear Momentum

Contenido breve

El panorama general xxv

PARTE 5: ELECTRICIDAD 21 Electrostática 683

2 Campos eléctricos y ley de Gauss 710 23 Potencial eléctrico 745 24 Capacitores 773 25 Corriente y resistencia 804 26 Circuitos de corriente directa 838

PARTE 6: MAGNETISMO 27 Magnetismo 864

28 Campos magnéticos de cargas en movimiento 892

29 Inducción electromagnética 925 30 Oscilaciones y corrientes electromagnéticas 958 31 Ondas electromagnéticas 992

PARTE 7: ÓPTICA 32 Óptica geométrica 1025

3 Lentes e instrumentos ópticos 1058 34 Óptica ondulatoria 1096

PARTE 8: RELATIVIDAD Y FÍSICA CUÁNTICA 35 Relatividad 1132

36 Física cuántica 1170 37 Mecánica cuántica 1206 38 Física atómica 1251 39 Física de partículas elementales 1286 40 Física nuclear 1325

Apéndice A: Matemáticas Primer A-1

Apéndice B: Masas de isótopos, energías de enlace y vidas media A-9

Apéndice C: Propiedades de los elementos A-19

Respuestas de problemas y preguntas seleccionadas RES-1

Wolfgang Bauer nació en Alemania y obtuvo un doctorado en física nuclear teórica en la Universidad de Giessen en 1987. Después de una beca de investigación posdoctoral en el California Institute of Technology, fue nombrado catedrático de la Michigan State University en 1988. Ha trabajado en una gran variedad de temas de física computacional, desde la superconductividad a alta temperatura hasta las explosiones de supernovas; pero se ha interesado especialmente en colisiones nucleares relativistas. Quizás es más conocido por su trabajo sobre transiciones de fase de la materia nuclear en colisiones de iones pesados. En años recientes, el doctor Bauer ha enfocado gran parte de su investigación y de su cátedra en temas relativos a la energía, incluyendo fuentes de combustibles fósiles, modos de usar más eficientemente la energía y, especialmente, fuentes de energía alternativas y neutras al carbono. Actualmente trabaja como Presidente del departamento de Física y Astronomía, así como director del Institute for Cyber-Enabled Research.

Gary D. Westfall comenzó su carrera en el Center for Nuclear Studies de la Universidad de Texas en Austin, donde hizo su doctorado en física nuclear experimental en 1975. De ahí se trasladó al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), en Berkeley, California, para llevar a cabo su trabajo posdoctoral en física nuclear de alta energía, y luego permaneció como científico de cátedra. Mientras estuvo en el LBNL, el doctor Westfall fue conocido internacionalmente por su trabajo sobre el modelo nuclear de bola de fuego y el uso de la fragmentación para producir núcleos lejos de la estabilidad. En 1981, el doctor Westfall ingresó al National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) en la Michigan State University (MSU), como profesor investigador; ahí concibió, construyó y operó el detector MSU 4π. Su investigación basada en el uso del detector 4Q produjo información acerca de la respuesta de la materia nuclear cuando se le comprime en un colapso de supernova. En 1987, el doctor Westfall ingresó al Departamento de Física y Astronomía de la MSU como profesor asociado, mientras continuaba llevando a cabo su investigación en el NSCL. En 1994, el doctor Westfall ingresó a la STAR Collaboration, que actualmente lleva a cabo experimentos en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Brookhaven National Laboratory, en Long Island, Nueva York.

La asociación Westfall-Bauer Los doctores Bauer y Westfall han colaborado en la investigación de física nuclear y en investigación física educativa durante más de dos décadas. La asociación comenzó en 1988, cuando ambos autores dieron conferencias en la misma convención y decidieron ir a esquiar juntos después de la sesión. En esa ocasión, Westfall contrató a Bauer para unirse como catedrático en la Michigan State University (en parte amenazándolo con empujarlo del teleférico si se rehusaba). Obtuvieron fondos de NSF para desarrollar nuevas técnicas de enseñanza y de laboratorio, hicieron CD multimedios de física para sus estudiantes en la Lyman Briggs School, y coescribieron un libro de texto en CD-ROM llamado cliXX Physik. En 1992, fueron de los primeros en adoptar la internet para enseñar y aprender, desarrollando la primera versión de su sistema on-line para tareas en casa. En años subsiguientes, participaron en la creación del LearningOnline Network con CAPA, que se usa ahora en más de 70 universidades y escuelas superiores en Estados Unidos y en otras partes del mundo. Desde 2008, Bauer y Westfall han sido parte de un equipo de profesores, ingenieros y físicos que investigan el uso de la enseñanza asistida por compañeros en el programa de física introductoria. Este proyecto ha recibido financiamiento del Programa de Expansión de Talentos de NSF STEM, y sus mejores prácticas se han incorporado en este libro de texto.

Dedicatoria Este libro está dedicado a nuestras familias. Sin su paciencia, aliento y apoyo, no podríamos haberlo terminado.

Acerca de los autores vii

Nota de los autores

La física es una ciencia floreciente, animada por el reto de cambio intelectual, y presenta innumerables problemas de investigación sobre temas que van desde las más grandes galaxias hasta las más pequeñas partículas subatómicas. Los físicos han logrado aportar a nuestro mundo entendimiento, orden, congruencia y predictibilidad, y continuarán con este cometido en el futuro.

Sin embargo, cuando abrimos la mayoría de los libros de texto de introducción a la física, encontramos otra historia. La física se presenta como una ciencia terminada en la que los principales progresos sucedieron en el tiempo de Newton, o quizás a principios del siglo x. Sólo hacia el final de los libros de texto convencionales se cubre la “física moderna”, e incluso esta cobertura a menudo incluye únicamente descubrimientos realizados hasta la década de 1960.

Nuestra motivación principal para escribir este libro es cambiar esta percepción entretejiendo de manera adecuada la apasionante física contemporánea en todo el texto. La física es una disciplina estimulante y dinámica, que está continuamente en la frontera de nuevos descubrimientos y aplicaciones que cambian la vida. Para ayudar a los estudiantes a percibir esto, necesitamos contar toda la emocionante historia de nuestra ciencia integrando adecuadamente la física contemporánea dentro del curso de primer año, basado en el cálculo. Tan sólo el primer semestre ofrece muchas oportunidades para hacer esto, al vincular resultados de la investigación física en dinámica no lineal, caos, complejidad y alta energía, en el programa introductorio. Como estamos realizando investigación de manera activa en este campo, sabemos que muchos de los resultados de vanguardia están accesibles en su esencia para el estudiante de primer año.

Autores en muchos otros campos, tales como la biología y la química, ya incorporan la investigación contemporánea en sus libros de texto, y reconocen los cambios sustanciales que están afectando los fundamentos de sus disciplinas. Esta integración de la investigación contemporánea da a los estudiantes la impresión de que la biología y la química son lo último en emprendimientos de investigación. Los fundamentos de la física, por otro lado, descansan en terreno mucho más firme; pero los nuevos avances son igualmente intrigantes y apasionantes, si no es que más. Necesitamos encontrar una manera de compartir con nuestros estudiantes los avances en la física.

Creemos que hablar acerca del amplio tema de la energía ofrece un gran aliciente introductorio para captar el interés de los estudiantes. Los conceptos de fuentes de energía (fósil, renovable, nuclear, etc.), eficiencia energética, fuentes alternativas de energía y efectos ambientales de las decisiones de suministro de energía (calentamiento global) son mucho más accesibles en el nivel de física introductoria. Constatamos que los temas de energía detonan el interés de nuestros estudiantes como ningún otro tema actual, y hemos tratado diferentes aspectos de energía en todo nuestro libro.

Además de estar expuesto al estimulante mundo de la física, los estudiantes se benefician en gran medida al obtener la capacidad de resolver problemas y pensar lógicamente acerca de una situación. La física se basa en un conjunto central de ideas que es fundamental para toda la ciencia. Reconocemos esto y proporcionamos un útil método de resolución de problemas (descrito en el capítulo 1) que se usa en todo el libro. Este método de resolución de problemas se basa en un formato de pasos múltiples que ambos hemos desarrollado con los estudiantes en nuestras clases.

Considerando todo esto, y junto al deseo de escribir un libro de texto cautivante, hemos creado lo que esperamos que sea una herramienta que capte la imaginación de los estudiantes y los prepare para cursos futuros en los campos que elijan (con la esperanza, lo reconocemos, de convencer en el camino por lo menos a unos pocos estudiantes para que estudien física como carrera). Fue de gran ayuda en este enorme trabajo contar con la realimentación de más de 300 personas, incluyendo un consejo de asesores, varios colaboradores, revisores de manuscritos y participantes en grupos de enfoque, como también lo fueron las pruebas de campo de nuestras ideas con aproximadamente 4 0 estudiantes en nuestras clases introductorias de física en la Michigan State University. ¡Gracias a todos! —Wolfgang Bauer y Gary D. Westfall viii

Contenido

24 Capacitores 773

24.1 Capacitancia 774 24.2 Circuitos 776 24.3 Capacitor de placas paralelas 7 24.4 Capacitor cilíndrico 779 24.5 Capacitor esférico 779 24.6 Capacitores en circuitos 780 24.7 Energía almacenada en capacitores 784 24.8 Capacitores con dieléctricos 788 24.9 Perspectiva microscópica sobre los dieléctricos 791 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 793 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 797

25 Corriente y resistencia 804

25.1 Corriente eléctrica 805 25.2 Densidad de corriente 808 25.3 Resistividad y resistencia 811 25.4 Fuerza electromotriz y la ley de Ohm 816 25.5 Resistores en serie 818 25.6 Resistores en paralelo 821 25.7 Energía y potencia en circuitos eléctricos 825 25.8 Diodos: calles de un solo sentido en circuitos 827 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 828 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 831

26 Circuitos de corriente directa 838

26.1 Leyes de Kirchhoff 839 26.2 Circuitos de bucle único 842 26.3 Circuitos multiloop 843 26.4 Amperímetros y voltímetros 847 26.5 Circuitos RC 849 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 855 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 857

PARTE 6: MAGNETISMO

27 Magnetismo 864

27.1 Imanes permanentes 865 27.2 Fuerza magnética 868

Prefacio xi Desarrollo de 360° xix Agradecimientos xi El panorama general xxv

PARTE 5: ELECTRICIDAD

21 Electrostática 683

21.1 Electromagnetismo 684 21.2 Carga eléctrica 685

21.3 Aislantes, conductores, semiconductores y superconductores 688

21.4 Carga electrostática 690 21.5 Fuerza electrostática: ley de Coulomb 692 21.6 Ley de Coulomb y ley de gravitación de Newton 699 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 699 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 704

2 Campos eléctricos y ley de Gauss 710

2.1 Definición de campo eléctrico 711 2.2 Líneas de campo 712 2.3 Campo eléctrico debido a cargas puntuales 714 2.4 Campo eléctrico debido a un dipolo 716 2.5 Distribuciones continuas de carga 717 2.6 Fuerza debida a un campo eléctrico 721 2.7 Flujo eléctrico 725 2.8 Ley de Gauss 726 2.9 Simetrías especiales 729 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 735 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 738

23 Potencial eléctrico 745

23.1 Energía potencial eléctrica 746 23.2 Definición de potencial eléctrico 747 23.3 Superficies y líneas equipotenciales 752

23.4 Potencial eléctrico de varias distribuciones de carga 755

23.5 Determinación del campo eléctrico a partir del potencial eléctrico 759

23.6 Energía potencial eléctrica de un sistema de cargas puntuales 761

Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 763 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 766 ixContenido

31 Ondas electromagnéticas 992

31.1 Campos magnéticos inducidos 993 31.2 Corriente de desplazamiento 994 31.3 Ecuaciones de Maxwell 996 31.4 Soluciones de onda para las ecuaciones de Maxwell 996 31.5 La velocidad de la luz 1000 31.6 El espectro electromagnético 1000 31.7 Ondas electromagnéticas viajeras 1003 31.8 Vector de Poynting y transporte de energía 1004 31.9 Presión de radiación 1006 31.10 Polarización 1010 31.1 Deducción de la ecuación de onda 1014 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 1015 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 1019

PARTE 7: ÓPTICA

32 Óptica geométrica 1025

32.1 Rayos de luz y sombras 1026 32.2 Reflexión y espejos planos 1029 32.3 Espejos curvos 1033 32.4 Refracción y ley de Snell 1041 Lo que hemos aprendido/Guía de estudio para examen 1052 Preguntas de opción múltiple/Preguntas/Problemas 1053

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