1. http://libreria-universitaria.blogspot.comYOUNG FREEDMAN SEARS ZEMANSKYFsica universitaria CON FSICA MODERNA volumen 2Decimosegunda edicin

2. http://libreria-universitaria.blogspot.com 3. http://libreria-universitaria.blogspot.comFACTORES DE CONVERSIN 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 5 10210 m 5 1028 cm 5 1021 nm 1 milla nutica 5 6080 ft 1 ao luz 5 9.461 3 1015 m rea 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 m2Volumen 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 galn 5 3.788 litrosTiempo 1 min 5 60 s 1 h 5 3600 s 1 d 5 86,400 s 1 ao 5 365.24 d 5 3.156 3 107 sngulo 1 rad 5 57.30 5 180/p 1 5 0.01745 rad 5 p/180 rad 1 revolucin 5 360 5 2p rad 1 rev/min (rpm) 5 0.1047 rad/sRapidez 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 das 5 1.662 3 1024 m/sAceleracin 1 m/s2 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 Presin 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 Energa 1 J 5 107ergs 5 0.239 cal 1 cal 5 4.186 J (con base en calora 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-energa 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 4. http://libreria-universitaria.blogspot.comCONSTANTES NUMRICAS Constantes fsicas fundamentales* NombreSmboloValorRapidez de la luz Magnitud de carga del electrn Constante gravitacional Constante de Planck Constante de Boltzmann Nmero de Avogadro Constante de los gases Masa del electrn Masa del protn Masa del neutrn Permeabilidad del espacio libre Permitividad del espacio librec e G h k NA R me mp mn m0 P0 5 1/m 0c 2 1/4pP02.99792458 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 molculas/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 /C2Otras constante tiles Equivalente mecnico del calor Presin atmosfrica estndar Cero absoluto Electrn volt Unidad de masa atmica Energa del electrn en reposo Volumen del gas ideal (0 C y 1 atm) Aceleracin debida a la gravedad (estndar)1 atm 0K 1 eV 1u mec 2 g4.186 J/cal (15 calora ) 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 nmeros entre parntesis indican incertidumbre en los dgitos nales del nmero principal; por ejemplo, el nmero 1.6454(21) signica 1.6454 6 0.0021. Los valores que no indican incertidumbre son exactos.Datos astronmicos CuerpoMasa (kg)Radio (m)Radio de la rbita (m)Periodo de la rbitaSol Luna Mercurio Venus Tierra Marte Jpiter Saturno Urano Neptuno Plutn1.99 3 1030 7.35 3 1022 3.30 3 1023 4.87 3 1024 5.97 3 1024 6.42 3 1023 1.90 3 1027 5.68 3 1026 8.68 3 1025 1.02 3 1026 1.31 3 10226.96 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 5.79 1.08 1.50 2.28 7.78 1.43 2.87 4.50 5.91 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 y3 3 3 3 3 3 3 3 3 3108 1010 1011 1011 1011 1011 1012 1012 1012 1012 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 rbita 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 Unin Astronmica Internacional reclasic a Plutn y a otros pequeos objetos que giran en rbita alrededor del Sol como planetas enanos. 5. http://libreria-universitaria.blogspot.comSEARS ZEMANSKYfsica unIverSitaria CON FSICA MODERNA Volumen 2 6. http://libreria-universitaria.blogspot.comESTRATEGIAS PARA RESOLVER PROBLEMAS ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMASPGINAESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMASPGINA21.1Ley de Coulomb71931.1Circuitos de corriente alterna107321.2Clculos de campo elctrico72832.1Ondas electromagnticas110322.1Ley de Gauss76233.1Reexin y refraccin112823.1Clculo del potencial elctrico79433.2Polarizacin lineal113824.1Capacitancia equivalente82234.1Formacin de imgenes con espejos116824.2Dielctricos83134.2Formacin de imgenes por lentes delgadas 118025.1Potencia y energa en los circuitos86535.1Interferencia en pelculas delgadas122126.1Resistores en serie y en paralelo88437.1Dilatacin del tiempo127626.2Reglas de Kirchhoff88837.2Contraccin de la longitud128127.1Fuerzas magnticas92137.3Transformaciones de Lorentz128627.2Movimiento en campos magnticos92738.1Fotones131228.1Clculo de campos magnticos96139.1Partculas y ondas135128.2Ley de Ampre97341.1Estructura atmica140529.1Ley de Faraday99943.1Propiedades nucleares147430.1Inductores en circuitos1041 7. http://libreria-universitaria.blogspot.comACTIVIDADES ACTIVPHYSICS ONLINETM ONLINEwww.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 13.1Propiedades de las ondas mecnicas Fuerza elctrica: ley de Coulomb Fuerza elctrica: principio de superposicin Fuerza elctrica: superposicin (cuantitativa) Campo elctrico: carga puntual Campo elctrico debido a un dipolo Campo elctrico: problemas Flujo elctrico Ley de Gauss Movimiento de una carga en un campo elctrico: introduccin Movimiento en un campo elctrico: problemas Potencial elctrico: introduccin cualitativa Potencial, campo y fuerza elctricos Energa potencial elctrica y potencial Circuitos de CD en serie (cualitativos) Circuitos de CD en paralelo Diagramas de circuitos de CD Uso de ampermetros y voltmetros Uso de las leyes de Kirchhoff Capacitancia Capacitores en serie y en paralelo Constantes de tiempo de circuitos Campo magntico de un alambre13.2 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 16.3Campo magntico de una espira Campo magntico de un solenoide Fuerza magntica sobre una partcula Fuerza magntica sobre un alambre Par de torsin magntico sobre una espira Espectrmetro de masas Selector de velocidad Induccin electromagntica Fuerza electromotriz de movimiento El circuito RL Circuitos de CA: el oscilador RLC Circuitos de CA: el oscilador excitador Reexin y refraccin Reexin interna total Aplicaciones de la refraccin ptica geomtrica: espejos planos Espejos esfricos: diagramas de rayos Espejos esfricos: ecuacin del espejo Espejos esfricos: aumento lineal m Espejos esfricos: problemas Diagramas de rayos de lentes delgadas Lentes delgadas convergentes Lentes delgadas divergentes Sistemas de dos lentes Interferencia de dos fuentes: introduccin Interferencia de dos fuentes: preguntas cualitativas Interferencia de dos fuentes: problemas16.4 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 20.4La rejilla: introduccin y preguntas La rejilla: problemas Difraccin desde una sola ranura Difraccin en oricios circulares Poder de resolucin ptica fsica: polarizacin Relatividad del tiempo Relatividad de la longitud Efecto fotoelctrico Dispersin de Compton Interferencia de electrones Principio de incertidumbre Paquetes de ondas El modelo de Bohr Espectroscopa El lser Dispersin de partculas Energa de enlace nuclear Fusin Radiactividad Fsica de partculas Diagramas de energa potencial Partcula en una caja Pozos de potencial Barreras de potencial 8. http://libreria-universitaria.blogspot.comREVISIN TCNICA MXICO Alberto Rubio Ponce Gabriela Del Valle Daz Muoz Hctor Luna Garca Jos Antonio Eduardo Roa NeriRobert Snchez CanoUniversidad Autnoma Metropolitana Unidad AzcapotzalcoFernando Molina FocazzioRicardo Pintle Monroy Rafael Mata Carlos Gutirrez Aranzeta Instituto Politcnico Nacional Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica-ZacatencoMarcela Martha Villegas Garrido Francisco J. Delgado Cepeda Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de MxicoLzaro Barajas de la Torre Lucio Lpez Cavazos Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus QuertaroJos Arturo Tar Ortiz Peralta Omar Olmos Lpez Vctor Bustos Meter Jos Luis Salazar Laureles Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus TolucaDaniel Zalapa Zalapa Centro de Enseanza Tcnica Industrial GuadalajaraLorena Vega Lpez Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenieras Universidad de GuadalajaraSergio Flores Instituto de Ingeniera y Tecnologa Universidad Autnoma de Ciudad JurezARGENTINA Ema Aveleyra Universidad de Buenos Aires Buenos AiresUniversidad Autnoma de Occidente CaliPonticia Universidad Javeriana BogotJaime Isaza Ceballos Escuela Colombiana de Ingeniera BogotCOSTA RICA Diego Chaverri Polini Universidad Latina de Costa Rica San JosJuan Meneses Rimola Instituto Tecnolgico de Costa Rica CartagoRandall Figueroa Mata Universidad Hispanoamericana San JosESPAA Jos M. Zamarro Minguell Universidad de Murcia Campus del Espinardo MurciaFernando Ribas Prez Universidad de Vigo Escola Universitaria de Enxeera Tcnica Industrial VigoStefano Chiussi Universidad de Vigo Escola Tcnica Superior de Enxeeiros de Telecomunicacin VigoMiguel ngel Hidalgo Universidad de Alcal de Henares Campus Universitario Alcal de HenaresAlerino BeltraminoPERUTN Regional Buenos Aires Buenos AiresYuri Milachay Vicente Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas LimaMiguel ngel Altamirano UTN Regional Crdoba CrdobaCOLOMBIA lvaro Andrs Velsquez Torres Universidad EAFIT MedellnVENEZUELA Mario Caicedo lvaro Restuccia Jorge Stephany Universidad Simn Bolvar Caracas 9. http://libreria-universitaria.blogspot.comSEARS ZEMANSKYfsica unIverSitaria CON FSICA MODERNA Decimosegunda edicin volumen 2HUGH D. YOUNG CARNEGIE MELLON UNIVERSITYROGER A. FREEDMAN UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA CON LA COLABORACIN DEA. LEWIS FORD texas a&m university TRADUCCINJAVIER ENRQUEZ BRITO traductor profesional especialista en el rea de ciencias REVISIN TCNICARIGEL GMEZ LEAL GABRIEL ALEJANDRO JARAMILLO MORALES DGAR RAYMUNDO LPEZ TLLEZ FRANCISCO MIGUEL PREZ RAMREZ facultad de ingeniera universidad nacional autnoma de mxicoAddison-Wesley 10. http://libreria-universitaria.blogspot.comDatos de catalogacin bibliogrfica YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN Fsica universitaria, con fsica moderna volumen 2. Decimosegunda edicin PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2009 ISBN: 978-607-442-304-4 rea: Ciencias Formato: 21 3 27 cmPginas: 896Authorized adaptation from the English language edition, entitled University Physics with Modern Physics 12th 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 Adaptacin autorizada de la edicin en idioma ingls, titulada University Physics with Modern Physics 12 ed. (captulos 21-44), de Hugh D. Young, Roger A. Freedman; con la colaboracin de A. Lewis Ford, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Addison-Wesley, Copyright 2008. Todos los derechos reservados. Esta edicin en espaol es la nica autorizada. Edicin en espaol Editor:Rubn Fuerte Rivera e-mail: ruben.fuerte@pearsoned.com Editor de desarrollo: Felipe Hernndez Carrasco Supervisor de produccin: Enrique Trejo Hernndez Edicin en ingls 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 hasegawaCover 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/CorbisDECIMOSEGUNDA EDICIN VERSIN IMPRESA, 2009 DECIMOSEGUNDA EDICIN E-BOOK, 2009 D.R. 2009 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500-5 piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico e-mail: editorial.mx@pearsoned.com Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031. Addison-Wesley es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes. Impreso en Mxico. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 13 12 11 10Addison-Wesley es una marca dewww.pearsoneducacion.netISBN VERSIN IMPRESA: 978-607-442-304-4 ISBN E-BOOK: 978-607-442-307-5 11. http://libreria-universitaria.blogspot.comCONTENIDO BREVE ElectromagnetismoFsica moderna21 22 23 24 25Carga elctrica y campo elctrico709Ley de Gauss750Potencial elctrico780Capacitancia y dielctricos815Corriente, resistencia y fuerza electromotriz84626 27Circuitos de corriente directa881Campo magntico y fuerzas magnticas91628 29 30 31 32Fuentes de campo magntico957Induccin electromagntica993Inductancia1030Corriente alterna1061Ondas electromagnticas1092ptica33 34 35 36Naturaleza y propagacin de la luz1121ptica geomtrica1157Interferencia1207Difraccin123437 38 39Relatividad1268Fotones, electrones y tomos1307La naturaleza ondulatoria de las partculas134940 41 42 43 44Mecnica cuntica1375Estructura atmica1401Molculas y materia condensada1433Fsica nuclear1468Fsica de partculas y cosmologa1509APNDICES A B C D E FEl sistema internacional de unidades Relaciones matemticas tiles El alfabeto griego Tabla peridica de los elementos Factores de conversin de unidades Constantes numricas Respuestas a los problemas con nmero imparA-1 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7 A-9 12. http://libreria-universitaria.blogspot.comSOBRE LOS AUTORES Hugh D. Young es profesor emrito de fsica en Carnegie Mellon University, en Pittsburgh, PA. Curs sus estudios de licenciatura y posgrado en Carnegie Mellon, donde obtuvo su doctorado en teora de partculas fundamentales bajo la direccin de Richard Cutkosky, hacia el nal de la carrera acadmica de ste. Se uni al claustro de profesores de Carnegie Mellon en 1956 y tambin ha sido profesor visitante en la Universidad de California en Berkeley durante dos aos. 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 convirti en coautor de los bien conocidos libros de introduccin a la fsica de Francis Sears y Mark Zemansky. A la muerte de stos, el profesor Young asumi toda la responsabilidad de las nuevas ediciones de esos textos, hasta que se le uni el profesor Freedman para elaborar Fsica Universitaria. El profesor Young practica con entusiasmo el esqu, el montaismo y la caminata. Tambin ha sido durante varios aos 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 desrtica de los caones del sur de Utah.Roger A. Freedman es profesor en la Universidad de California, en Santa Brbara (UCSB). El doctor Freedman estudi su licenciatura en los planteles de San Diego y Los ngeles de la Universidad de California, y realiz su investigacin doctoral en teora nuclear en la Universidad de Stanford bajo la direccin del profesor J. Dirk Walecka. Lleg a UCSB en 1981, despus de haber sido durante tres aos profesor e investigador en la Universidad de Washington. En UCSB el doctor Freedman ha impartido ctedra tanto en el departamento de Fsica como en la Escuela de Estudios Creativos, un organismo de la universidad que da cabida a los estudiantes con dotes y motivacin para el arte. Ha publicado artculos sobre fsica nuclear, fsica de partculas elementales y fsica de lseres. En los aos recientes ha colaborado en el desarrollo de herramientas de cmputo para la enseanza de la fsica y la astronoma. Cuando no est en el aula o trabajando afanosamente ante una computadora, al doctor Freedman se le ve volando (tiene licencia de piloto comercial) o manejando con su esposa Caroline su automvil convertible Nash Metropolitan, modelo 1960.A. Lewis Ford es profesor de fsica en Texas A&M University. Curs la licenciatura en Rice University en 1968, y obtuvo un doctorado en fsica qumica de la Universidad de Texas, en Austin, en 1972. Despus de pasar un ao de posdoctorado en la Universidad de Harvard, se uni en 1973 a Texas A&M University como profesor de fsica, donde ha permanecido desde entonces. El rea de investigacin del profesor Ford es la fsica atmica terica, con especialidad en colisiones atmicas. En Texas A&M University ha impartido una amplia variedad de cursos de licenciatura y posgrado, pero sobre todo de introduccin a la fsica. 13. http://libreria-universitaria.blogspot.comAL ESTUDIANTECMO TRIUNFAR EN FSICA SI SE INTENTA DE VERDAD Mark Hollabaugh Normandale Community College La fsica estudia lo grande y lo pequeo, lo viejo y lo nuevo. Del tomo a las galaxias, de los circuitos elctricos a la aerodinmica, la fsica es una gran parte del mundo que nos rodea. Es probable que est siguiendo este curso de introduccin a la fsica, basado en el clculo, porque lo requiera para materias posteriores que planee tomar para su carrera en ciencias o ingeniera. Su profesor quiere que aprenda fsica y goce la experiencia. l o ella tienen mucho inters en ayudarlo a aprender esta fascinante disciplina. sta es parte de la razn por la que su maestro eligi este libro para el curso. Tambin es la razn por la que los doctores Young y Freedman me pidieron que escribiera esta seccin introductoria. Queremos que triunfe! El propsito de esta seccin de Fsica universitaria es darle algunas ideas que lo ayuden en su aprendizaje. Al anlisis breve de los hbitos generales y las estrategias de estudio, seguirn sugerencias especcas de cmo utilizar el libro.hbitos de estudio. Quiz lo ms importante que pueda hacer por usted mismo sea programar de manera regular el tiempo adecuado en un ambiente libre de distracciones.Si en el bachillerato estudi fsica, es probable que aprenda los conceptos ms rpido que quienes no lo hicieron porque estar familiarizado con el lenguaje de la fsica. De igual modo, si tiene estudios avanzados de matemticas comprender con ms rapidez los aspectos matemticos de la fsica. Aun si tuviera un nivel adecuado de matemticas, encontrar tiles libros como el de Arnold D. Pickar, Preparing for General Physics: Math Skill Drills and Other Useful Help (Calculus Version). Es posible que su profesor asigne tareas de este repaso de matemticas como auxilio para su aprendizaje.Responda las siguientes preguntas para usted mismo: Soy capaz de utilizar los conceptos matemticos fundamentales del lgebra, geometra y trigonometra? (Si no es as, planee un programa de repaso con ayuda de su profesor.) En cursos similares, qu actividad me ha dado ms problemas? (Dedique ms tiempo a eso.) Qu ha sido lo ms fcil para m? (Haga esto primero; lo ayudar a ganar conanza.) Entiendo el material mejor si leo el libro antes o despus de la clase? (Quizs aprenda mejor si revisa rpido el material, asiste a clase y luego lee con ms profundidad.) Dedico el tiempo adecuado a estudiar fsica? (Una regla prctica para una clase de este tipo es dedicar en promedio 2.5 horas de estudio fuera del aula por cada hora de clase en esta. Esto signica que para un curso con cinco horas de clase programadas a la semana, debe destinar de 10 a 15 horas semanales al estudio de la fsica.) Estudio fsica a diario? (Distribuya esas 10 a15 horas a lo largo de toda la semana!) A qu hora estoy en mi mejor momento para estudiar fsica? (Elija un horario especco del da y resptelo.) Trabajo en un lugar tranquilo en el que pueda mantener mi concentracin? (Las distracciones rompern su rutina y harn que pase por alto puntos importantes.)Aprender a aprenderTrabajar con otrosCada uno de nosotros tiene un estilo diferente de aprendizaje y un medio preferido para hacerlo. Entender cul es el suyo lo ayudar a centrarse en los aspectos de la fsica que tal vez le planteen dicultades y a emplear los componentes del curso que lo ayudarn a vencerlas. Es obvio que querr dedicar ms tiempo a aquellos aspectos que le impliquen ms problemas. Si usted aprende escuchando, las conferencias sern muy importantes. Si aprende con explicaciones, entonces ser de ayuda trabajar con otros estudiantes. Si le resulta difcil resolver problemas, dedique ms tiempo a aprender cmo hacerlo. Asimismo, es importante entender y desarrollar buenosEs raro que los cientcos e ingenieros trabajen aislados unos de otros, y ms bien trabajan en forma cooperativa. Aprender ms fsica y el proceso ser ms ameno si trabaja con otros estudiantes. Algunos profesores tal vez formalicen el uso del aprendizaje cooperativo o faciliten la formacin de grupos de estudio. Es posible que desee formar su propio grupo no formal de estudio con miembros de su clase que vivan en su vecindario o residencia estudiantil. Si tiene acceso al correo electrnico, selo para estar en contacto con los dems. Su grupo de estudio ser un recurso excelente cuando se prepare para los exmenes.Preparacin para este cursoix 14. http://libreria-universitaria.blogspot.comxCmo triunfar en fsica si se intenta de verdadLas clases y los apuntesExmenesUn factor importante de cualquier curso universitario son las clases. Esto es especialmente cierto en fsica, ya que ser frecuente que su profesor haga demostraciones de principios fsicos, ejecute simulaciones de computadora o proyecte videos. Todas stas son actividades de aprendizaje que lo ayudarn a comprender los principios bsicos de la fsica. No falte a clases, y si lo hace por alguna razn especial, pida a un amigo o miembro de su grupo de estudio que le d los apuntes y le diga lo que pas. En clase, tome notas rpidas y entre a los detalles despus. Es muy difcil tomar notas palabra por palabra, de modo que slo escriba las ideas clave. Si su profesor utiliza un diagrama del libro de texto, deje espacio en el cuaderno para ste y agrguelo ms tarde. Despus de clase, complete sus apuntes con la cobertura de cualquier faltante u omisin y anotando los conceptos que necesite estudiar posteriormente. Haga referencias por pgina del libro de texto, nmero de ecuacin o de seccin. Asegrese de hacer preguntas en clase, o vea a su profesor durante sus horas de asesora. Recuerde que la nica pregunta fuera de lugar es la que no se hace. En su escuela quiz haya asistentes de profesor o tutores para ayudarlo con las dicultades que encuentre.Presentar un examen es estresante. Pero si se prepar de manera adecuada y descans bien, la tensin ser menor. La preparacin para un examen es un proceso continuo; comienza en el momento en que termina el ltimo examen. Debe analizar sus exmenes y comprender los errores que haya cometido. Si resolvi un problema y cometi errores importantes, pruebe lo siguiente: tome una hoja de papel y divdala en dos partes con una lnea de arriba hacia abajo. En una columna escriba la solucin apropiada del problema, y en la otra escriba lo que hizo y por qu, si es que lo sabe, y la razn por la que su propuesta de solucin fue incorrecta. Si no est seguro de por qu cometi el error o de la forma de evitarlo, hable con su profesor. La fsica se construye de manera continua sobre ideas fundamentales y es importante corregir de inmediato cualquiera malentendido. Cuidado: si se prepara en el ltimo minuto para un examen, no retendr en forma adecuada los conceptos para el siguiente. 15. http://libreria-universitaria.blogspot.comAL PROFESORPREFACIO Este libro es el producto de ms de medio siglo de liderazgo e innovacin en la enseanza de la fsica. Cuando en 1949 se public la primera edicin de Fsica universitaria, de Francis W. Sears y Mark W. Zemansky, su nfasis en los principios fundamentales de la fsica y la forma de aplicarlos fue un aspecto revolucionario entre los libros de la disciplina cuya base era el clculo. El xito del libro entre generaciones de (varios millones) de estudiantes y profesores de todo el mundo da testimonio del mrito de este enfoque, y de las muchas innovaciones posteriores. Al preparar esta nueva decimosegunda edicin, hemos mejorado y desarrollado an ms Fsica universitaria asimilando las mejores ideas de la investigacin educativa con respecto a la enseanza basada en la resolucin de problemas, la pedagoga visual y conceptual; este libro es el primero que presenta problemas mejorados en forma sistemtica, y en utilizar el sistema de tareas y enseanza en lnea ms garantizado y usado del mundo.Lo nuevo en esta edicin Solucin de problemas El celebrado enfoque de cuatro pasos para resolver problemas, basado en la investigacin (identicar, plantear, ejecutar y evaluar) ahora se usa en cada ejemplo resuelto, en la seccin de Estrategia para resolver problemas de cada captulo, y en las soluciones de los manuales para el profesor y para el estudiante. Los ejemplos resueltos ahora incorporan bocetos en blanco y negro para centrar a los estudiantes en esta etapa crtica: aquella que, segn las investigaciones, los estudiantes tienden a saltar si se ilustra con guras muy elaboradas. Instrucciones seguidas por prctica Una trayectoria de enseanza y aprendizaje directa y sistemtica seguida por la prctica, incluye Metas de aprendizaje al principio de cada captulo, as como Resmenes visuales del captulo que consolidan cada concepto con palabras, matemticas y guras. Las preguntas conceptuales ms frecuentes en la seccin de Evale su comprensin al nal de cada seccin ahora usan formatos de opcin mltiple y de clasicacin que permiten a los estudiantes la comprobacin instantnea de sus conocimientos. Poder didctico de las guras El poder que tienen las guras en la enseanza fue enriquecido con el empleo de la tcnica de anotaciones, probada por las investigaciones (comentarios estilo pizarrn integrados en la gura, para guiar al estudiante en la interpretacin de sta), y por el uso apropiado del color y del detalle (por ejemplo, en la mecnica se usa el color para centrar al estudiante en el objeto de inters al tiempo que se mantiene el resto de la imagen en una escala de grises sin detalles que distraigan). Problemas mejorados al nal de cada captulo Reconocido por contener los problemas ms variados y probados que existen, la decimosegunda edicin va ms all: ofrece la primera biblioteca de problemas de fsica mejorados de manera sistemtica con base en el desempeo de estudiantes de toda la nacin. A partir de este anlisis, ms de 800 nuevos problemas se integran al conjunto de 3700 de toda la biblioteca. MasteringPhysics (www.masteringphysics.com). Lanzado con la undcima edicin, la herramienta de MasteringPhysics ahora es el sistema de tareas y enseanza en lnea ms avanzado del mundo que se haya adoptado y probado en la educacin de la manera ms amplia. Para la decimosegunda edicin, MasteringPhysics incorpora un conjunto de mejoras tecnolgicas y nuevo contenido. Adems de una biblioteca de ms de 1200 tutoriales y de todos los problemas de n de captulo, MasteringPhysics ahora tambin presenta tcnicas especcas para cada Estrategia para resolver problemas, as como para las preguntas de la seccin de Evale su comprensin de cada captulo. Las respuestas incluyen los tipos algebraico, numrico y de opcin mltiple, as como la clasificacin, elaboracin de grcas y trazado de vectores y rayos.Caractersticas clave de Fsica universitaria Una gua para el estudiante Muchos estudiantes de fsica tienen dicultades tan slo porque no saben cmo usar su libro de texto. La seccin llamada Cmo triunfar en fsica si se intenta de verdad. Organizacin de los captulos La primera seccin de cada captulo es una introduccin que da ejemplos especcos del contenido del captulo y lo conecta con lo visto antes. Tambin hay una pregunta de inicio del captulo y una lista de metas de aprendizaje para hacer que el lector piense en el tema del captulo que tiene por delante. (Para encontrar la respuesta a la pregunta, busque el icono ?) La mayora de las secciones terminan con una pregunta para que usted Evale su comprensin, que es de naturaleza conceptual o cuantitativa. Al nal de la ltima seccin del captulo se encuentra un resumen visual del captulo de los principios ms importantes que se vieron en ste, as como una lista de trminos clave que hace referencia al nmero de pgina en que se presenta cada trmino. Las respuestas a la pregunta de inicio del captulo y a las secciones Evale su comprensin se encuentran despus de los trminos clave. Preguntas y problemas Al nal de cada captulo hay unconjunto de preguntas de repaso que ponen a prueba y amplan la comprensin de los conceptos que haya logrado el estudiante. Despus se encuentran los ejercicios, que sonxi 16. http://libreria-universitaria.blogspot.comxiiPrefacioproblemas de un solo concepto dirigidos a secciones especcas del libro; los problemas por lo general requieren uno o dos pasos que no son triviales; y los problemas de desafo buscan provocar a los estudiantes ms persistentes. Los problemas incluyen aplicaciones a campos tan diversos como la astrofsica, la biologa y la aerodinmica. Muchos problemas tienen una parte conceptual en la que los estudiantes deben analizar y explicar sus resultados. Las nuevas preguntas, ejercicios y problemas de esta edicin fueron creados y organizados por Wayne Anderson (Sacramento City College), Laird Kramer (Florida International University) y Charlie Hibbard. Estrategias para resolver problemas y ejemplos resueltosLos recuadros de Estrategia para resolver problemas, distribuidos en todo el libro, dan a los estudiantes tcticas especficas para resolver tipos particulares de problemas. Estn enfocados en las necesidades de aquellos estudiantes que sienten que entienden los conceptos pero no pueden resolver los problemas. Todos los recuadros de la Estrategia para resolver problemas van despus del mtodo IPEE (identicar, plantear, ejecutar y evaluar) para solucionar problemas. Este enfoque ayuda a los estudiantes a visualizar cmo empezar con una situacin compleja parecida, identicar los conceptos fsicos relevantes, decidir cules herramientas se necesitan para resolver el problema, obtener la solucin y luego evaluar si el resultado tiene sentido. Cada recuadro de Estrategia para resolver problemas va seguido de uno o ms ejemplos resueltos que ilustran la estrategia; adems, en cada captulo se encuentran muchos otros ejemplos resueltos. Al igual que los recuadros de Estrategia para resolver problemas, todos los ejemplos cuantitativos utilizan el mtodo IPEE. Varios de ellos son cualitativos y se identican con el nombre de Ejemplos conceptuales. Prrafos de Cuidado Dos dcadas de investigaciones enla enseanza de la fsica han sacado a la luz cierto nmero de errores conceptuales comunes entre los estudiantes de fsica principiantes. stos incluyen las ideas de que se requiere fuerza para que haya movimiento, que la corriente elctrica se consume a medida que recorre un circuito, y que el producto de la masa de un objeto por su aceleracin constituye una fuerza en s mismo. Los prrafos de Cuidado alertan a los lectores sobre stos y otros errores, y explican por qu est equivocada cierta manera de pensar en una situacin (en la que tal vez ya haya incurrido el estudiante. Notacin y unidades Es frecuente que los estudiantes tengan dicultades con la distincin de cules cantidades son vectores y cules no. Para las cantidades vectoriales usamos caracS teresSen cursivas y negritas con una echa encima, como v, S ^ a y F; los vectores unitarios tales como d van testados con un acento circunejo. En las ecuaciones con vectores se emplean signos en negritas, 1, 2, 3 y 5, para hacer nfasis en la distincin entre las operaciones vectoriales y escalares. Se utilizan exclusivamente unidades del SI (cuando es apropiado se incluyen las conversiones al sistema ingls). Se emplea el joule como la unidad estndar de todas las formas de energa, incluida la calorca.Flexibilidad El libro es adaptable a una amplia variedad deformatos de curso. Hay material suciente para uno de tres semestres o de cinco trimestres. La mayora de los profesores encontrarn que es demasiado material para un curso de un semestre, pero es fcil adaptar el libro a planes de estudio de un ao si se omiten ciertos captulos o secciones. Por ejemplo, es posible omitir sin prdida de continuidad cualquiera o todos los captulos sobre mecnica de uidos, sonido, ondas electromagnticas o relatividad. En cualquier caso, ningn profesor debiera sentirse obligado a cubrir todo el libro.Material complementario para el profesor Los manuales de soluciones para el profesor, que prepar A. Lewis Ford (Texas A&M University), contienen soluciones completas y detalladas de todos los problemas de final de captulo. Todas siguen de manera consistente el mtodo de identicar, plantear, ejecutar y evaluar usado en el libro. El Manual de soluciones para el profesor, para el volumen 1 cubre los captulos 1 al 20, y el Manual de soluciones para el profesor, para los volmenes 2 y 3 comprende los captulos 21 a 44. La plataforma cruzada Administrador de medios ofrece una biblioteca exhaustiva de ms de 220 applets de ActivPhysics OnLine, as como todas las guras del libro en formato JPEG. Adems, todas las ecuaciones clave, las estrategias para resolver problemas, las tablas y los resmenes de captulos se presentan en un formato de Word que permite la edicin. Tambin se incluyen preguntas de opcin mltiple semanales para usarlas con varios Sistemas de Respuesta en Clase (SRC), con base en las preguntas de la seccin Evale su comprensin en el libro. MasteringPhysics (www.masteringphysics.com) es el sistema de tareas y enseanza de la fsica ms avanzado y ecaz y de mayor uso en el mundo. Pone a disposicin de los maestros una biblioteca de problemas enriquecedores de nal de captulo, tutoriales socrticos que incorporan varios tipos de respuestas, retroalimentacin sobre los errores, y ayuda adaptable (que comprende sugerencias o problemas ms sencillos, si se solicitan). MasteringPhysics permite que los profesores elaboren con rapidez una amplia variedad de tareas con el grado de dicultad y la duracin apropiadas; adems, les da herramientas ecientes para que analicen las tendencias de la clase o el trabajo de cualquier estudiante con un detalle sin precedente y para que comparen los resultados ya sea con el promedio nacional o con el desempeo de grupos anteriores. Cinco lecciones fciles: estrategias para la enseanza exitosa de la fsica por Randall D. Knight (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), expone ideas creativas acerca de cmo mejorar cualquier curso de fsica. Es una herramienta invaluable para los maestros tanto principiantes como veteranos. Las transparencias contienen ms de 200 guras clave de Fsica universitaria, decimosegunda edicin, a todo color. 17. http://libreria-universitaria.blogspot.comPrefacioEl Banco de exmenes incluye ms de 2000 preguntas de opcin mltiple, incluye todas las preguntas del Banco de exmenes. Ms de la mitad de las preguntas tienen valores numricos que pueden asignarse al azar a cada estudiante. Para tener acceso a este material, consulte a su representante de Pearson local.Material complementario para el estudiante MasteringPhysics (www.masteringphysics.com) es el sistema de enseanza de la fsica ms avanzado, usado y probado en el mundo. Es resultado de ocho aos de estudios detallados acerca de cmo resuelven problemas de fsica los estudiantes reales y de las reas donde requieren ayuda. Los estudios revelan que los alumnos que recurren a MasteringPhysics mejoran de manera signi-cativa sus calicaciones en los exmenes nales y pruebas conceptuales como la del Inventario Force Concept. Mastering-Physics logra esto por medio de dar a los estudiantes re-troalimentacin instantnea y especca sobre sus respuestas equivocadas, proponer a solicitud de ellos problemas ms sencillos cuando no logran avanzar, y asignar una calicacin parcial por el mtodo. Este sistema individualizado de tutora las 24 horas de los siete das de la semana es recomendado por nueve de cada diez alumnos a sus compaeros como el modo ms ecaz de aprovechar el tiempo para estudiar.xiiiActivPhysics OnLine (www.masteringphysics.com), incluido ahora en el rea de autoaprendizaje de MasteringPhysics, brinda la biblioteca ms completa de applets y tutoriales basados en stos. ActivPhysics OnLine fue creado por el pionero de la educacin Alan Van Heuvelen de Rutgers. A lo largo de la decimosegunda edicin de University Physics hay iconos que dirigen al estudiante hacia applets especcos en ActivPhysics OnLine para ayuda interactiva adicional. ONLINECuadernos de Trabajo de ActivPhysics OnLine, por Alan Van Heuvelen, Rutgers y Paul dAlessandris, Monroe Community College, presentan una amplia gama de guas para la enseanza que emplean los applets de gran aceptacin que ayudan a los estudiantes a desarrollar su comprensin y conanza. En particular, se centran en el desarrollo de la intuicin, la elaboracin de pronsticos, la prueba experimental de suposiciones, el dibujo de diagramas ecaces, el entendimiento cualitativo y cuantitativo de las ecuaciones clave, as como en la interpretacin de la informacin grca. Estos cuadernos de trabajo se usan en laboratorios, tareas o autoestudio. 18. http://libreria-universitaria.blogspot.comxivPrefacioAgradecimientos Pearson Educacin agradece a los centros de estudios y profesores usuarios de esta obra por su apoyo y retroalimentacin, elementos fundamentales para esta nueva edicin de Fsica universitaria. MXICO INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESIME Culhuacn Luis Daz Hernndez Miguel ngel Morales Pedro Cervantes UPIICSA Amado F. Garca Ruiz Enrique lvarez Gonzlez Fabiola Martnez Ziga Francisco Ramrez Torres UPIITA lvaro Gordillo Sol Csar Luna Muoz Israel Reyes Ramrez Jess Picazo Rojas Jorge Fonseca Campos INSTITUTO TECNOLGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY Campus Chihuahua Francisco Espinoza Magaa Silvia Prieto Campus Ciudad de Mxico Luis Jaime Neri Vitela Rosa Mara Gonzlez Castelln Vctor Francisco Robledo Rella Campus Cuernavaca Crisanto Castillo Francisco Giles Hurtado Ral Irena Estrada Campus Culiacn Juan Bernardo Castaeda Campus Estado de Mxico Elena Gabriela Cabral Velzquez Elisabetta Crescio Francisco J. Delgado Cepeda Marcela Martha Villegas Garrido Pedro Anguiano Rojas Ral Gmez Castillo Ral Martnez Rosado Sergio E. Martnez Casas Campus Mazatln Carlos Mellado Osuna Eusebio de Jess Guevara Villegas Campus Monterrey Jorge Lomas Trevio Campus Puebla Abel Flores Amado Idali Caldern Salas Campus Quertaro Juan Jos Carracedo Lzaro Barajas De La Torre Lucio Lpez Cavazos Campus Santa Fe Francisco Javier Hernndez Martn Prez Daz Norma Elizabeth Olvera Tecnolgico de Estudios Superiores de Ecatepec Antonio Silva Martnez Crispn Ramrez MartnezFidel Castro Lpez Guillermo Tenorio Estrada Jess Gonzlez Lemus Leticia Vera Prez Mara Del Rosario Gonzlez Baales Mauricio Javier Zrate Snchez Omar Prez Romero Ral Nava Cervantes UNITEC Campus Ecatepec Inocencio Medina Olivares Julin Rangel Rangel Lorenzo Martnez Carrillo Garzn Universidad Autnoma de la Ciudad de Mxico Alberto Garca Quiroz Edith Mireya Vargas Garca Enrique Cruz Martnez Gerardo Gonzlez Garca Gerardo Oseguera Pea Vernica Puente Vera Vctor Julin Tapia Garca Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa Michael Picquar Universidad Iberoamericana, Distrito Federal Abraham Vilchis Uribe Adolfo Genaro Finck Pastrana Alfredo Sandoval Villalbazo Anabel Arrieta Ostos Antonio Gen Mora Arturo Bailn Martnez Carmen Gonzlez Mesa Claudia Camacho Ziga Domitila Gonzlez Patio Elsa Fabiola Vzquez Valencia Enrique Snchez y Aguilera Enrique Tllez Fabiani Erich Starke Fabris Esperanza Rojas Oropeza Francisco Alejandro Lpez Daz Guillermo Aguilar Hurtado Guillermo Chacn Acosta Guillermo Fernndez Anaya Gustavo Eduardo Soto de la Vega Jaime Lzaro Klapp Escribano Jimena Bravo Guerrero Jos Alfredo Heras Gmez Jos Fernando Prez Godnez Jos Luis Morales Hernndez Juan Cristbal Crdenas Oviedo Lorena Arias Montao Mara Alicia Mayela vila Martnez Mara de Jess Orozco Arellanes Mariano Bauer Ephrussi Mario Alberto Rodrguez Meza Rafael Rodrguez Domnguez Rodolfo Fabin Estrada Guerrero Rodrigo Alberto Rincn Gmez Salvador Carrillo Moreno Silvia Patricia Ambrosio Cruz Universidad La Salle, Distrito Federal Israel Wood Cano UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO Facultad de Ciencias Agustn Hernndez Agustn Prez Contreras 19. http://libreria-universitaria.blogspot.comPrefacio Ada Gutirrez Alberto Snchez Moreno Alejandro Padrn lvaro Gmez Estrada Andrea Luisa Aburto Antonio Pacheco Armando Pluma Arturo F. Rodrguez Beatriz Eugenia Hernndez Rodrguez Carlos Octavio Olvera Bermdez Edgar Raymundo Lpez Tllez Elba Karen Senz Garca Eliseo Martnez Elizabeth Aguirre Maldonado Enrique Villalobos Espiridin Martnez Daz Francisco Javier Rodrguez Gmez Francisco Miguel Prez Ramrez Gabriel Jaramillo Morales Genaro Muoz Hernndez Gerardo Ovando Ziga Gerardo Solares Guadalupe Aguilar Gustavo Contreras Mayn Heriberto Aguilar Jurez Jaime Garca Ruiz Javier Gutirrez S. Jess Vicente Gonzlez Sosa Jos Carlos Rosete lvarez Juan Carlos Cedeo Vzquez Juan Galindo Muiz Juan Manuel Gil Prez Juan Ros Hacha Lanzier Efran Torres Ortiz Lourdes Del Carmen Prez Salazar Luis Andrs Surez Hernndez Luis Eugenio Tejeda Calvillo Luis Flores Jurez Luis Humberto Soriano Snchez Luis Javier Acosta Bernal Luis Manuel Len Rosano M. Alejandra Carmona M. Del Rosario Narvarte G. Mara Del Carmen Melo Mara Josefa Labrandero Martn Brcenas Escobar Nanzier Torres Lpez Oliverio Octavio Ortiz Olivera scar Rafael San Romn Gutirrez Patricia Goldstein Menache Ramn Santilln Ramrez Rigel Gmez Leal Salvador Villalobos Santiago Gmez Lpez Vctor Manuel Snchez EsquivelM. Josena Becerril Tllez-Girn M. Pilar Ortega Bernal Mara Del Rayo Salinas Vzquez Marta Rodrguez Prez Mauro Cruz Morales Natalia de la Torre Paola B. Gonzlez Aguirre Praxedis Israel Santamara MataFacultad de Estudios Superiores Zaragoza Javier Ramos Salamanca Zula Sandoval VillanuevaxvUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LAS FUERZAS ARMADAS (UNEFA), Maracay Johnny Molleja Jos Gmez Rubn LenFacultad de Qumica Alicia Zarzosa Prez Carlos Rins Alonso Csar Reyes Chvez Emilio Orgaz Baque Fernanda Adriana Camacho Alans Hortensia Caballero Lpez Israel Santamara Mata Karla M. Daz Gutirrez M. Eugenia Ceballos SilvaUniversidad Panamericana, Mxico Rodolfo Cobos Tllez Universidad Autnoma de Chihuahua Antonino Prez Carlos de la Vega Eduardo Bentez Read Hctor Hernndez Jos Mora Ruacho Juan Carlos Senz Carrasco Ral Sandoval Jabalera Ricardo Romero Centeno Instituto Tecnolgico de Chihuahua Claudio Gonzlez Tolentino Manuel Lpez Rodrguez Universidad Autnoma de Ciudad Jurez Sergio Flores Mario Borunda Universidad La Salle Cuernavaca Miguel Pinet Vzquez Instituto Tecnolgico de Zacatepec Fernando Pona Celn Mateo Sixto Cortez Rodrguez Nelson A. Mariaca Crdenas Ramiro Rodrguez Salgado Instituto Tecnolgico de Quertaro Adrin Herrera Olalde Eleazar Garca Garca Joel Arzate Villanueva Manuel Francisco Jimnez Morales Manuel Snchez Muiz Marcela Jurez Ros Mario Alberto Montante Garza Mximo Pliego Daz Ral Vargas Alba Instituto Tecnolgico de Mazatln Jess Ernesto Gurrola Pea Universidad de Occidente Unidad Culiacn Luis Antonio Achoy BustamanteVENEZUELAUNIVERSIDAD BICENTENARIA DE ARAGUA (UBA), Maracay Belkys Ramrez Jos Peralta UNIVERSIDAD CATLICA ANDRS BELLO (UCAB), Caracas Jos Marino. scar Rodrguez Rafael Degugliemo 20. http://libreria-universitaria.blogspot.comxviPrefacioAgradecimientos Queremos agradecer a los cientos de revisores y colegas que han hecho comentarios y sugerencias valiosos durante la vida de este libro. El continuo xito de Fsica universitaria se debe en gran medida a sus contribuciones. Edward Adelson (Ohio State University), Ralph Alexander (University of Missouri at Rolla), J. G. Anderson, R. S. Anderson, Wayne Anderson (Sacramento City College), Alex Azima (Lansing Community College), Dilip Balamore (Nassau Community College), Harold Bale (University of North Dakota), Arun Bansil (Northeastern University), John Barach (Vanderbilt University), J. D. Barnett, H. H. Barschall, Albert Bartlett (University of Colorado), Paul Baum (CUNY, Queens College), Frederick Becchetti (University of Michigan), B. Bederson, David Bennum (University of Nevada, Reno), Lev I. Berger (San Diego State University), Robert Boeke (William Rainey Harper College), S. Borowitz, A. C. Braden, James Brooks (Boston University), Nicholas E. Brown (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), Tony Buffa (California Polytechnic State University, San Luis Obispo), A. Capecelatro, Michael Cardamone (Pennsylvania State University), Duane Carmony (Purdue University), Troy Carter (UCLA), P. Catranides, John Cerne (SUNY at Buffalo), Roger Clapp (University of South Florida), William M. Cloud (Eastern Illinois University), Leonard Cohen (Drexel University), W. R. Coker (University of Texas, Austin), Malcolm D. Cole (University of Missouri at Rolla), H. Conrad, David Cook (Lawrence University), Gayl Cook (University of Colorado), Hans Courant (University of Minnesota), Bruce A. Craver (University of Dayton), Larry Curtis (University of Toledo), Jai Dahiya (Southeast Missouri State University), Steve Detweiler (University of Florida), George Dixon (Oklahoma State University), Donald S. Duncan, Boyd Edwards (West Virginia University), Robert Eisenstein (Carnegie Mellon University), Amy Emerson Missourn (Virginia Institute of Technology), William Faissler (Northeastern University), William Fasnacht (U.S. Naval Academy), Paul Feldker (St. Louis Community College), Carlos Figueroa (Cabrillo College), L. H. Fisher, Neil Fletcher (Florida State University), Robert Folk, Peter Fong (Emory University), A. Lewis Ford (Texas A&M University), D. Frantszog, James R. Gaines (Ohio State University), Solomon Gartenhaus (Purdue University), Ron Gautreau (New Jersey Institute of Technology), J. David Gavenda (University of Texas, Austin), Dennis Gay (University of North Florida), James Gerhart (University of Washington), N. S. Gingrich, J. L. Glathart, S. Goodwin, Rich Gottfried (Frederick Community College), Walter S. Gray (University of Michigan), Paul Gresser (University of Maryland), Benjamin Grinstein (UC San Diego), Howard Grotch (Pennsylvania State University), John Gruber (San Jose State University), Graham D. Gutsche (U.S. Naval Academy), Michael J. Harrison (Michigan State University), Harold Hart (Western Illinois University), Howard Hayden (University of Connecticut), Carl Helrich (Goshen College), Laurent Hodges (Iowa State University), C. D. Hodgman, Michael Hones (Villanova University), Keith Honey (West Virginia Institute of Technology), Gregory Hood (Tidewater Community College), John Hubisz (North Carolina State University), M. Iona, John Jaszczak (Michigan Technical University), Alvin Jenkins (North Carolina State University), Robert P. Johnson (UC Santa Cruz), Lorella Jones (University of Illinois), John Karchek (GMI Engineering & Management Institute), Thomas Keil (Worcester Polytechnic Institute), Robert Kraemer (Carnegie Mellon University), Jean P. Krisch (University of Michigan), Robert A. Kromhout, Andrew Kunz (Marquette University), Charles Lane (Berry College), Thomas N. Lawrence (Texas State University), Robert J. Lee, Alfred Leitner (Rensselaer Polytechnic University), Gerald P. Lietz (De Paul University), Gordon Lind (Utah State University), S. Livingston, Elihu Lubkin (University of Wisconsin, Milwaukee), Robert Luke (Boise State University), David Lynch (Iowa State University), Michael Lysak (San Bernardino Valley College), Jeffrey Mallow (Loyola University), Robert Mania (Kentucky State University), Robert Marchina (University of Memphis), David Markowitz (University of Connecticut), R. J. Maurer, Oren Maxwell (Florida International University), Joseph L. McCauley (University of Houston), T. K. McCubbin, Jr. (Pennsylvania State University), Charles McFarland (University of Missouri at Rolla), James Mcguire (Tulane University), Lawrence McIntyre (University of Arizona), Fredric Messing (Carnegie-Mellon University), Thomas Meyer (Texas A&M University), Andre Mirabelli (St. Peters College, New Jersey), Herbert Muether (S.U.N.Y., Stony Brook), Jack Munsee (California State University, Long Beach), Lorenzo Narducci (Drexel University), Van E. Neie (Purdue University), David A. Nordling (U. S. Naval Academy), Benedict Oh (Pennsylvania State University), L. O. Olsen, Jim Pannell (DeVry Institute of Technology), W. F. Parks (University of Missouri), Robert Paulson (California State University, Chico), Jerry Peacher (University of Missouri at Rolla), Arnold Perlmutter (University of Miami), Lennart Peterson (University of Florida), R. J. Peterson (University of Colorado, Boulder), R. Pinkston, Ronald Poling (University of Minnesota), J. G. Potter, C. W. Price (Millersville University), Francis Prosser (University of Kansas), Shelden H. Radin, Michael Rapport (Anne Arundel Community College), R. Resnick, James A. Richards, Jr., John S. Risley (North Carolina State University), Francesc Roig (University of California, Santa Barbara), T. L. Rokoske, Richard Roth (Eastern Michigan University), Carl Rotter (University of West Virginia), S. Clark Rowland (Andrews University), Rajarshi Roy (Georgia Institute of Technology), Russell A. Roy (Santa Fe Community College), Dhiraj Sardar (University of Texas, San Antonio), Bruce Schumm (UC Santa Cruz), Melvin Schwartz (St. Johns University), F. A. Scott, L. W. Seagondollar, Paul Shand (University of Northern Iowa), Stan Shepherd (Pennsylvania State University), Douglas Sherman (San Jose State), Bruce Sherwood (Carnegie Mellon University), Hugh Siefkin (Greenville College), Tomasz Skwarnicki (Syracuse University), C. P. Slichter, Charles W. Smith (University of Maine, Orono), Malcolm Smith (University of Lowell), Ross Spencer (Brigham Young University), Julien Sprott (University of Wisconsin), Victor Stanionis (Iona College), James Stith (American Institute of Physics), Chuck Stone (North Carolina A&T State University), Edward Strother (Florida Institute of Technology), Conley Stutz (Bradley University), Albert Stwertka (U.S. Merchant Marine Academy), 21. http://libreria-universitaria.blogspot.comPrefacio Martin Tiersten (CUNY, City College), David Toot (Alfred University), Somdev Tyagi (Drexel University), F. Verbrugge, Helmut Vogel (Carnegie Mellon University), Robert Webb (Texas A & M), Thomas Weber (Iowa State University), M. Russell Wehr, (Pennsylvania State University), Robert Weidman (Michigan Technical University), Dan Whalen (UC San Diego), Lester V. Whitney, Thomas Wiggins (Pennsylvania State University), David Willey (University of Pittsburgh, Johnstown), George Williams (University of Utah), John Williams (Auburn University), Stanley Williams (Iowa State University), Jack Willis, Suzanne Willis (Northern Illinois University), Robert Wilson (San Bernardino Valley College), L. Wolfenstein, James Wood (Palm Beach Junior College), Lowell Wood (University of Houston), R. E. Worley, D. H. Ziebell (Manatee Community College), George O. Zimmerman (Boston University)Adems, nos gustara hacer algunos agradecimientos individuales. Quiero dar gracias de todo corazn a mis colegas de Carnegie Mellon, en especial a los profesores Robert Kraemer, Bruce Sherwood, Ruth Chabay, Helmut Vogel y Brian Quinn, por las muchas conversaciones estimulantes sobre pedagoga de la fsica y su apoyo y nimo durante la escritura de las ediciones sucesivas de este libro. Tambin estoy en deuda con las muchas generaciones de estudiantes de Carnegie Mellon que me ayudaron a aprender lo que es la buena enseanza y la correcta escritura, al mostrarme lo que funciona y lo que no. Siempre es un gusto y un privilegio expresar mi gratitud a mi esposa Alice y nuestros hijos Gretchen y Rebecca por su amor, apoyo y sostn emocional durante la escritura de las distintas dediciones del libro. Que todos los hombres y mujeres sean bendecidos con un amor como el de ellos. H.D.Y. Me gustara agradecer a mis colegas del pasado y el presente en UCSB, incluyendo a Rob Geller, Carl Gwinn, Al Nash, Elisabeth Nicol y Francesc Roig, por su apoyo sincero y sus abundantes y tiles plticas. Tengo una deuda de gratitud en especial con mis primeros maestros Willa Ramsay, Peter Zimmerman, William Little, Alan Schwettman y Dirk Walecka por mostrarme qu es una enseanza clara y cautivadora de la fsica, y con Stuart Johnson por invitarme a ser coautor de Fsica Universitaria a partir de la novena edicin. Quiero dar gracias en especial al equipo editorial de Addison Wesley y a sus socios: Adam Black por su visin editorial; Margot Otway por su gran sentido grco y cuidado en el desarrollo de esta edicin; a Peter Murphy y Carol Reitz por la lectura cuidadosa del manuscrito; a Wayne Anderson, Charlie Hibbard, Laird Kramer y Larry Stookey por su trabajo en los problemas de nal de captulo; y a Laura Kenney, Chandrika Madhavan, Nancy Tabor y Pat McCutcheon por mantener el ujo editorial y de produccin. Agradezco a mi padre por su continuo amor y apoyo y por conservar un espacio abierto en su biblioteca para este libro. Sobre todo, expreso mi gratitud y amor a mi esposa Caroline, a quien dedico mi contribucin al libro. Hey, Caroline, al n termin la nueva edicin. Vmonos a volar! R.A.F.Por favor, dganos lo que piensa Son bienvenidos los comunicados de estudiantes y profesores, en especial sobre errores y deciencias que encuentren en esta edicin. Hemos dedicado mucho tiempo y esfuerzo a la escritura del mejor libro que hemos podido escribir, y esperamos que le ayude a ensear y aprender fsica. A la vez, usted nos puede ayudar si nos hace saber qu es lo que necesita mejorarse Por favor, sintase en libertad para ponerse en contacto con nosotros por va electrnica o por correo ordinario. Sus comentarios sern muy apreciados. Octubre de 2006 Hugh D. YoungRoger A. FreedmanDepartamento de Fsica Carnegie Mellon University Pittsburgh, PA 15213 hdy@andrew.cmu.eduDepartamento de Fsica University of California, Santa Barbara Santa Barbara, CA 93106-9530 airboy@physics.ucsb.edu http://www.physics.ucsb.edu/~airboy/xvii 22. http://libreria-universitaria.blogspot.comCONTENIDO ELECTROMAGNETISMO21 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.722 22.1 22.2 22.3 22.4 22.523 23.1 23.2 23.3 23.4 23.524 24.1 24.2 24.3 24.4 *24.5 *24.6CARGA ELCTRICA Y CAMPO ELCTRICO25 709Carga elctrica Conductores, aislantes y cargas inducidas Ley de Coulomb El campo elctrico y las fuerzas elctricas Clculos de campos elctricos Lneas de campo elctrico Dipolos elctricos Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas710 713 716 721 727 733 735 739LEY DE GAUSS750Carga y ujo elctrico Clculo del ujo elctrico Ley de Gauss Aplicaciones de la ley de Gauss Cargas en conductores Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas750 753 757 761 767 772CORRIENTE, RESISTENCIA Y FUERZA ELECTROMOTRIZ25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 *25.6Corriente elctrica Resistividad Resistencia Fuerza electromotriz y circuitos Energa y potencia en circuitos elctricos Teora de la conduccin metlica Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas26CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA26.1 26.2 26.3 26.4 26.527POTENCIAL ELCTRICO780Energa potencial elctrica Potencial elctrico Clculo del potencial elctrico Supercies equipotenciales Gradiente de potencial Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas780 787 794 798 801 80427.1 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6 27.7CAPACITANCIA Y DIELCTRICOS Capacitores y capacitancia Capacitores en serie y en paralelo Almacenamiento de energa en capacitores y energa de campo elctrico Dielctricos Modelo molecular de la carga inducida La Ley de Gauss en los dielctricos Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas815 816 820 824 828 833 835 837*27.8 *27.928 28.1Resistores en serie y en paralelo Reglas de Kirchhoff Instrumentos de medicin elctrica Circuitos R-C Sistemas de distribucin de energa Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios ProblemasCAMPO MAGNTICO Y FUERZAS MAGNTICAS Magnetismo Campo magntico Lneas de campo magntico y ujo magntico Movimiento de partculas cargadas en un campo magntico Aplicaciones del movimiento de partculas cargadas Fuerza magntica sobre un conductor que transporta corriente Fuerza y par de torsin en una espira de corriente El motor de corriente directa El Efecto Hall Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios ProblemasFUENTES DE CAMPO MAGNTICO Campo magntico de una carga en movimiento846 847 850 853 857 863 867 871881 881 886 891 896 900 905916 916 918 922 925 929 932 935 941 943 945957 957 23. http://libreria-universitaria.blogspot.comContenido28.2 28.3 28.4 28.5 28.6 28.7 *28.8Campo magntico de un elemento de corriente Campo magntico de un conductor que transporta corriente Fuerza entre alambres paralelos Campo magntico de una espira circular de corriente Ley de Ampre Aplicaciones de la ley de Ampre Materiales magnticos Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas29INDUCCIN ELECTROMAGNTICA29.1 29.2 29.3 29.4 29.5 *29.6 29.7Experimentos de induccin Ley de Faraday Ley de Lenz Fuerza electromotriz de movimiento Campos elctricos inducidos Corrientes parsitas Corriente de desplazamiento y ecuaciones de Maxwell Superconductividad Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas*29.830 30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 30.631 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6INDUCTANCIA Inductancia mutua Autoinductancia e inductores Energa del campo magntico El circuito R-L El circuito L-C El circuito L-R-C en serie Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios ProblemasCORRIENTE ALTERNA Fasores y corrientes alternas Resistencia y reactancia El circuito L-R-C en serie Potencia en circuitos de corriente alterna Resonancia en los circuitos de corriente alterna Transformadores Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas960 962 965 967 969 973 976 98232 32.1 32.2 32.3 32.4 32.5ONDAS ELECTROMAGNTICAS Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnticas Ondas electromagnticas planas y rapidez de la luz Ondas electromagnticas sinusoidales Energa y cantidad de movimiento de las ondas electromagnticas Ondas electromagnticas estacionarias Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemasxix1092 1093 1096 1101 1106 1111 1115993 994 996 1004 1006 1008 1011 1013 1017 1019PTICA33NATURALEZA Y PROPAGACIN DE LA LUZ33.1 33.2 33.3 *33.4 33.5 *33.6 33.7La naturaleza de la luz Reexin y refraccin Reexin interna total Dispersin Polarizacin Dispersin de la luz Principio de Huygens Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas1030 1030 1034 1038 1041 1045 1049 10521061 1061 1064 107034 34.1 34.2 34.3 34.4 34.5 34.6 34.7 34.8PTICA GEOMTRICA Reexin y refraccin en una supercie plana Reexin en una supercie esfrica Refraccin en una supercie esfrica Lentes delgadas Cmaras fotogrcas El ojo La lente de aumento Microscopios y telescopios Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas1121 1121 1123 1129 1132 1133 1142 1144 11471157 1157 1161 1169 1174 1182 1185 1189 1191 11961074 1077 1080 108435 35.1 35.2INTERFERENCIA Interferencia y fuentes coherentes Interferencia de la luz procedente de dos fuentes1207 1208 1211 24. http://libreria-universitaria.blogspot.comxx 35.3 35.4 35.536 36.1 36.2 36.3 36.4 36.5 36.6 36.7 *36.8ContenidoLa intensidad en los patrones de interferencia Interferencia en pelculas delgadas El interfermetro de Michelson Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios ProblemasDIFRACCIN Difraccin de Fresnel y Fraunhofer Difraccin desde una sola ranura Intensidad en el patrn de una sola ranura Ranuras mltiples Rejilla de difraccin Difraccin de rayos x Aberturas circulares y poder de resolucin Holografa Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas1214 1218 1224 122738.5 38.6 38.7 38.8 38.91235 1236 1239 1243 1246 125039 39.1 39.2 39.3 39.4 39.51253 1256 1259FSICA MODERNA37.1 37.2 37.3 37.4 37.5 *37.6 37.7 37.8 37.938 38.1 38.2 38.3 38.4RELATIVIDAD Invariabilidad de las leyes fsicas Relatividad de la simultaneidad Relatividad de los intervalos de tiempo Relatividad de la longitud Transformaciones de Lorentz Efecto Doppler en ondas electromagnticas Cantidad de movimiento relativista Trabajo y energa relativistas Mecnica newtoniana y relatividad Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios ProblemasFOTONES, ELECTRONES Y TOMOS Emisin y absorcin de la luz El efecto fotoelctrico Espectros atmicos de lneas y niveles de energa El tomo nuclear1322 1327 1330 1334 1338 1340123440 37El modelo de Bohr El lser Produccin y dispersin de rayos x Espectros continuos Dualidad onda-partcula Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas1268 1268 1272 1274 1278 1283 1287 1289 1292 1295 129840.1 40.2 40.3 40.4 40.541 41.1 41.2 41.3 41.4 41.5LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LAS PARTCULAS Ondas de De Broglie Difraccin de electrones Probabilidad e incertidumbre El microscopio electrnico Funciones de onda y la ecuacin de Schrdinger Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios ProblemasMECNICA CUNTICA Partcula en una caja Pozos de potencial Barreras de potencial y tunelamiento El oscilador armnico Problemas tridimensionales Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas1349 1350 1352 1355 1360 1361 13681375 1375 1380 1384 1387 1392 1394ESTRUCTURA ATMICA1401El tomo de hidrgeno El efecto Zeeman Espn del electrn tomos con muchos electrones y el principio de exclusin Espectros de rayos x Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas1401 1409 1413 1417 1423 14271307 1307 1309 1314 131942 42.1 42.2 42.3MOLCULAS Y MATERIA CONDENSADA Clases de enlaces moleculares Espectros moleculares Estructura de los slidos1433 1433 1436 1441 25. http://libreria-universitaria.blogspot.comContenido42.4 42.5 42.6 42.7 42.843 43.1 43.2 43.3 43.4 43.5 43.6 43.7 43.8Bandas de energa Modelo de electrones libres para los metales Semiconductores Dispositivos con semiconductores Superconductividad Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios ProblemasFSICA NUCLEAR Propiedades de los ncleos Enlace nuclear y estructura nuclear Estabilidad nuclear y radiactividad Actividades y vidas medias Efectos biolgicos de la radiacin Reacciones nucleares Fisin nuclear Fusin nuclear Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemas1445 1447 1452 1455 1460 146144 44.1 44.2 44.3 44.4 44.5 44.6 44.71468 1468 1473 1478 1485 1489 1492 1494 1498 1502FSICA DE PARTCULAS Y COSMOLOGA Las partculas fundamentales y su historia Aceleradores y detectores de partculas Partculas e interacciones Los quarks y las ocho maneras El modelo estndar y ms all El Universo en expansin El principio del tiempo Resumen/Trminos clave Preguntas para anlisis/Ejercicios Problemasxxi1509 1509 1514 1519 1525 1530 1532 1538 1547ApndicesA-1Respuestas a los problemas con nmero imparA-9Crditos de fotografasC-1ndiceI-1 26. http://libreria-universitaria.blogspot.com 27. http://libreria-universitaria.blogspot.comCARGA ELCTRICA Y CAMPO ELCTRICO21 METAS DE APRENDIZAJE?El agua hace posiblela vida. Las clulas de su cuerpo no podran funcionar sin agua donde se disolvieran las molculas biolgicas esenciales. Qu propiedades elctricas del agua la hacen tan buen solvente?En el captulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas fundamentales. Hasta este momento, la nica de tales fuerzas que hemos estudiado con cierto detalle es la gravitatoria. Ahora estamos listos para analizar la fuerza del electromagnetismo, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Los fenmenos del electromagnetismo ocuparn nuestra atencin en la mayora de lo que resta del libro. Las interacciones del electromagnetismo implican partculas que tienen una propiedad llamada carga elctrica, es decir, un atributo que es tan fundamental como la masa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzas gravitatorias, los objetos cargados elctricamente tambin se ven acelerados por las fuerzas elctricas. La descarga elctrica inesperada que usted siente cuando de frota sus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metlica, se debe a partculas cargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes elctricas como las de un relmpago o una televisin tan slo son ujos de partculas cargadas, que corren por cables en respuesta a las fuerzas elctricas. Incluso las fuerzas que mantienen unidos a los tomos y que forman la materia slida, evitando que los tomos de objetos slidos se atraviesen entre s, se deben en lo fundamental a interacciones elctricas entre las partculas cargadas en el interior de los tomos. En este captulo comenzamos nuestro estudio del electromagnetismo con el anlisis de la naturaleza de la carga elctrica, la cual est cuantizada y obedece cierto principio de conservacin. Despus pasaremos al estudio de las interacciones de las cargas elctricas en reposo en nuestro marco de referencia, llamadas interacciones electrostticas, y que tienen muchsima importancia en la qumica y la biologa, adems de contar con diversas aplicaciones tecnolgicas. Las interacciones electrostticas se rigen por una relacin sencilla que se conoce como ley de Coulomb, y es mucho ms conveniente describirlas con el concepto de campo elctrico. En captulos posteriores incluiremos en nuestro anlisis cargas elctricas en movimiento, lo que nos llevar a entender el magnetismo y, en forma notable, la naturaleza de la luz. Si bien las ideas clave del electromagnetismo son sencillas en lo conceptual, su aplicacin a cuestiones prcticas requerir muchas de nuestras destrezas matemticas,Al estudiar este captulo, usted aprender: La naturaleza de la carga elctrica y cmo sabemos que sta se conserva. Cmo se cargan elctricamente los objetos. Cmo usar la ley de Coulomb para calcular la fuerza elctrica entre cargas. La diferencia entre fuerza elctrica y campo elctrico. Cmo calcular el campo elctrico generado por un conjunto de cargas. Cmo usar la idea de las lneas de campo elctrico para visualizar e interpretar los campos elctricos. Como calcular las propiedades de los dipolos elctricos.709 28. http://libreria-universitaria.blogspot.com710C APT U LO 21 Carga elctrica y campo elctricoen especial el conocimiento de la geometra y del clculo integral. Por esta razn, el lector ver que este captulo y los siguientes son ms demandantes en cuanto a nivel matemtico que los anteriores. La recompensa por el esfuerzo adicional ser una mejor comprensin de los principios que se encuentran en el corazn de la fsica y la tecnologa modernas.21.1 Carga elctrica En una poca tan remota como 600 A.C., los griegos de la antigedad descubrieron que cuando frotaban mbar contra lana, el mbar atraa otros objetos. En la actualidad decimos que con ese frotamiento el mbar adquiere una carga elctrica neta o que se carga. La palabra elctrico se deriva del vocablo griego elektron, que signica mbar. Cuando al caminar una persona frota sus zapatos sobre una alfombra de nailon, se carga elctricamente; tambin carga un peine si lo pasa por su cabello seco. Las varillas de plstico y un trozo de piel (verdadera o falsa) son especialmente buenos para demostrar la electrosttica, es decir, la interaccin entre cargas elctricas en reposo (o casi en reposo). La gura 21.1a muestra dos varillas de plstico y un trozo de piel. Observamos que despus de cargar las dos varillas frotndolas contra un trozo de piel, las varillas se repelen. Cuando frotamos varillas de vidrio con seda, las varillas de vidrio tambin se cargan y se repelen entre s (gura 21.1b). Sin embargo, una varilla de plstico cargada atrae otra varilla de vidrio tambin cargada; adems, la varilla de plstico y la piel se atraen, al igual que el vidrio y la seda (gura 21.1c). Estos experimentos y muchos otros parecidos han demostrado que hay exactamente dos tipos de carga elctrica: la del plstico cuando se frota con piel y la del vidrio al frotarse con seda. Benjamn Franklin (1706-1790) sugiri llamar a esas dos clases de carga negativa y positiva, respectivamente, y tales nombres an se utilizan. La varilla de plstico y la seda tienen carga negativa; en tanto que la varilla de vidrio y la piel tienen carga positiva. Dos cargas positivas se repelen entre s, al igual que dos cargas negativas. Una carga positiva y una negativa se atraen.21.1 Experimentos de electrosttica. a) Los objetos cargados negativamente se repelen entre s. b) Los objetos cargados positivamente se repelen entre s. c) Los objetos con carga positiva se atraen con los objetos que tienen carga negativa. a) Interaccin entre varillas de plstico cuando se frotan con pielb) Interaccin entre varillas de vidrio cuando se frotan con sedaDos varillas de plstico simples ni se atraen ni se repelen PielSeda pero despus de frotarlas con seda, las varillas se repelen. y la piel y el vidrio atraen cada uno a la varilla que frotaron.+ + + ++ + + + +++ + + ++Vidrio pero despus de frotarlas con piel, las varillas se repelen.La varilla de plstico frotada con piel y la varilla de vidrio frotada con seda se atraen Plstico Dos varillas de vidrio simples ni se atraen ni se repelen entre s c) Interaccin entre objetos con cargas opuestas+++++++ ++ + + + ++ 29. http://libreria-universitaria.blogspot.com21.1 Carga elctrica 21.2 Esquema de la operacin de una impresora lser. 2 El rayo lser escribe sobre el tambor, con lo quecarga negativamente las reas donde estar la imagen. 1 Un conductor esparce iones sobre el tambor,+ +dndole a ste una carga positiva. 6 La lmpara descarga el tamborpara dejarlo listo para iniciar de nuevo el proceso. 5 Los rodillos de fusin calientanel papel para que la tinta se adhiera en forma permanente.+ + + +++Tambor rotatorio formador de imgenes+ ++ + ++Tinta (con carga positiva)+ + + + + 3 El rodillo aplica al tambor tinta cargada positivamente. La tinta se adhiere slo + + a las reas del tambor con carga negativa + donde el lser escribi. ++ + + ++ Papel (se alimenta hacia la izquierda) 4 Los conductores esparcen una carga negativa ms fuerte sobre el papel para que la tinta se adhiera.CU I DADO Atraccin y repulsin elctricas En ocasiones, la atraccin y la repulsin de dos objetos cargados se resume como cargas iguales se repelen, y cargas opuestas se atraen. Sin embargo, tenga en cuenta que la frase cargas iguales no signica que las dos cargas sean idnticas, sino slo que ambas carga tienen el mismo signo algebraico (ambas positivas o ambas negativas). La expresin cargas opuestas quiere decir que los dos objetos tienen carga elctrica de signos diferentes (una positiva y la otra negativa). Una aplicacin tecnolgica de las fuerzas entre cuerpos cargados es una impresora lser (figura 21.2). Al inicio del proceso de impresin, se da una carga positiva al tambor formador de imgenes que es sensible a la luz. Mientras el tambor gira, un rayo lser ilumina reas seleccionadas del tambor, lo cual deja tales reas con carga negativa. Partculas cargadas positivamente de la tinta se adhieren slo en las superficies del tambor en que el lser escribi. Cuando una hoja del papel entra en contacto con el tambor, partculas de la tinta se adhieren a la hoja y forman la imagen.Carga elctrica y la estructura de la materia Cuando se carga una varilla frotndola con piel o con seda, como en la gura 21.1, no hay ningn cambio visible en la apariencia de la varilla. Entonces, qu es lo que realmente sucede a la varilla cuando se carga? Para responder esta pregunta, debemos analizar ms de cerca la estructura y las propiedades elctricas de los tomos, que son los bloques que constituyen la materia ordinaria de todas clases. La estructura de los tomos se describe en trminos de tres partculas: el electrn, con carga negativa; el protn, cuya carga es positiva; y el neutrn, sin carga (figura 21.3) El protn y el neutrn son combinaciones de otras entidades llamadas quarks, que tienen cargas de 61 y 62 de la carga del electrn. No se han obser3 3 vado quarks aislados, y no hay razones tericas para suponer que en principio esto sea imposible. Los protones y los neutrones en un tomo forman el ncleo, pequeo y muy denso, cuyas dimensiones son del orden de 1015 m. Los electrones rodean al ncleo a distancias del orden de 1010 m. Si un tomo midiera algunos kilmetros de dimetro, su ncleo tendra el tamao de una pelota de tenis. Los electrones cargados negativamente se mantienen dentro del tomo gracias a fuerzas elctricas de atraccin que se extienden hasta ellos, desde el ncleo con carga positiva. (Los protones y los neutrones permanecen dentro del ncleo estable de los tomos, debido al efecto de atraccin de la fuerza nuclear fuerte, que vence la repulsin elctrica entre los protones. La fuerza nuclear fuerte es de corto alcance, por lo que sus efectos no llegan ms all del ncleo.)21.3 La estructura de un tomo. El tomo que se ilustra es el de litio (vase la gura 21.4a).711 30. http://libreria-universitaria.blogspot.com712C APT U LO 21 Carga elctrica y campo elctrico21.4 a) Un tomo neutro tiene tantos electrones como protones. b) Un ion positivo tienen un dcit de electrones. c) Un ion negativo tiene exceso de electrones. (Las rbitas son una representacin esquemtica de la distribucin real de los electrones, que es una nube difusa muchas veces mayor que el ncleo.)Protones (1) Neutrones Electrones (2)a) tomo neutro de litio (Li): 3 protones (31) 4 neutrones 3 electrones (32) Los electrones igualan a los protones: carga neta cero.b) Ion positivo de litio (Li 1): c) Ion negativo de litio (Li 2): 3 protones (31) 3 protones (31) 4 neutrones 4 neutrones 2 electrones (22) 4 electrones (42) Menos electrones que Ms electrones que protones: protones: carga neta positiva. carga neta negativa.Las masas de las partculas individuales, con la precisin que se conocen actualmente, son Masa del electrn 5 me 5 9.1093826 1 16 2 3 10231 kg Masa del protn 5 mp 5 1.67262171 1 29 2 3 10227 kg Masa del neutrn 5 mn 5 1.67492728 1 29 2 3 10227 kg Los nmeros entre parntesis son las incertidumbres en los dos ltimos dgitos. Observe que las masas del protn y del neutrn son casi iguales y aproximadamente 2000 veces la masa del electrn. Ms del 99.9% de la masa de cualquier tomo se concentra en el ncleo. La carga negativa del electrn tiene (dentro del error experimental) exactamente la misma magnitud que la carga positiva del protn. En un tomo neutral, el nmero de electrones es igual al nmero de protones en el ncleo; en tanto que la carga elctrica neta (la suma algebraica de todas las cargas) es exactamente igual a cero (gura 21.4a). El nmero de protones o electrones en un tomo neutro de un elemento se denomina nmero atmico del tal elemento. Si se pierden uno o ms electrones, la estructura con carga positiva que queda se llama ion positivo (gura 21.4b). Un tomo negativo es aquel que ha ganado uno o ms electrones (gura 21.4c). Tal ganancia o prdida de electrones recibe el nombre de ionizacin. Cuando el nmero total de protones en un cuerpo macroscpico es igual al nmero total de electrones, la carga total es igual a cero y el cuerpo en su totalidad es elctricamente neutro. Para dar a un cuerpo una carga excedente negativa, se puede tanto sumar cargas negativas como eliminar cargas positivas de dicho cuerpo. En forma similar, un exceso de carga positiva se crea cuando se agregan cargas positivas, o cuando se eliminan cargas negativas. En la mayora de casos, se agregan o se eliminan electrones con carga negativa (y muy mviles); un cuerpo cargado positivamente es aquel que ha perdido algunos de su complemento normal de electrones. Cuando hablamos de la carga de un cuerpo, siempre nos referimos a su carga neta, la cual siempre es una fraccin muy pequea (comnmente no mayor de 10212) de la carga total positiva o negativa en el cuerpo.La carga elctrica se conserva En el anlisis anterior hay implcitos dos principios muy importantes. El primero es el principio de conservacin de la carga: La suma algebraica de todas las cargas elctricas en cualquier sistema cerrado es constante.Si se frota una varilla de plstico con un trozo de piel, ambas sin carga al inicio, la varilla adquiere una carga negativa (pues toma electrones de la piel), y la piel adquiere una carga positiva de la misma magnitud (ya que ha perdido el mismo nmero de 31. http://libreria-universitaria.blogspot.com21.2 Conductores, aislantes y cargas inducidaselectrones que gan la varilla). De ah que no cambie la carga elctrica total en los dos cuerpos tomados en conjunto. En cualquier proceso de carga, sta no se crea ni se destruye, solo se transere de un cuerpo a otro. Se considera que el principio de conservacin de la carga es una ley universal, pues no se ha observado ninguna evidencia experimental de que se contravenga. Aun en las interacciones de alta energa donde se crean y destruyen partculas, como en la creacin de pares electrn-positrn, la carga total de cualquier sistema cerrado es constante con toda exactitud. El segundo principio importante es: La magnitud de la carga del electrn o del protn es la unidad natural de carga.Toda cantidad observable de carga elctrica siempre es un mltiplo entero de esta unidad bsica. Decimos que la carga est cuantizada. Un ejemplo de cuantizacin que resulta familiar es el dinero. Cuando se paga en efectivo por un artculo en una tienda, hay que hacerlo en incrementos de un centavo. El dinero no se puede dividir en cantidades menores de un centavo; en tanto que la carga elctrica no se divide en cantidades menores que la carga de un electrn o un protn. (Es probable que las cargas de los quarks, de 61 y 62, no sean observables como cargas aisladas.) Entonces, la car3 3 ga de cualquier cuerpo macroscpico siempre es igual a cero o a un mltiplo entero (negativo o positivo) de la carga del electrn. La comprensin de la naturaleza elctrica de la materia abre la perspectiva de muchos aspectos del mundo fsico (gura 21.5). Los enlaces qumicos que mantienen unidos a los tomos para formar molculas se deben a las interacciones elctricas entre ellos. Incluyen los enlaces inicos fuertes que unen a los tomos de sodio y cloro para formar la sal de mesa, y los enlaces relativamente dbiles entre las cadenas de DNA que contienen nuestro cdigo gentico. La fuerza normal que ejerce sobre usted la silla en que se sienta proviene de fuerzas elctricas entre las partculas cargadas, en los tomos de usted y los de la silla. La fuerza de tensin en una cuerda que se estira y la fuerza de adhesin de un pegamento se parecen en que se deben a las interacciones elctricas de los tomos. Evale su comprensin de la seccin 21.1 a) Estrictamente hablando, la varilla de plstico de la gura 21.1 pesa ms, menos o lo mismo despus de frotarla con la piel? b) Y la varilla de vidrio una vez que se frota con seda? Qu pasa con c) la piel y d) la seda?21.2 Conductores, aislantes y cargas inducidas Ciertos materiales permiten que las cargas elctricas se muevan con facilidad de una regin del material a la otra, mientras que otros no lo hacen. Por ejemplo, en la gura 21.6a se ilustra un alambre de cobre sostenido por una cuerda de nailon. Suponga que usted toca un extremo del alambre con una varilla de plstico cargado, y su otro extremo lo une con una esfera metlica que, al principio, est sin carga; despus, quita la varilla cargada y el alambre. Cuando acerca otro cuerpo cargado a la esfera (guras 21.6b y 21.6c), sta se ve atrada o repelida, lo cual demuestra que se carg elctricamente. Se transri carga elctrica entre la esfera y la supercie de la varilla de plstico, a travs del alambre de cobre. El alambre de cobre recibe el nombre de conductor de electricidad. Si se repite el experimento con una banda de caucho o un cordn de nailon en vez del alambre, se ver que no se transere carga a la esfera. Esos materiales se denominan aislantes. Los conductores permiten el movimiento fcil de las cargas a travs de ellos; mientras que los aislantes no lo hacen. (En la gura 21.6, los cordones de nailon que sostienen son aislantes, lo cual evita que escape la carga de la esfera metlica y del alambre de cobre.) Por ejemplo, las bras de una alfombra en un da seco son buenos aislantes. Cuando usted camina sobre ella, la friccin de los zapatos contra las bras hace que la carga71321.5 La mayora de las fuerzas que actan sobre este esquiador acutico son elctricas. Las interacciones elctricas entre molculas adyacentes originan la fuerza del agua sobre el esqu, la tensin en la cuerda y la resistencia del aire sobre el cuerpo del individuo. Las interacciones elctricas tambin mantienen juntos los tomos del cuerpo del esquiador. Slo hay una fuerza por completo ajena a la elctrica que acta sobre el esquiador: la fuerza de la gravedad. 32. http://libreria-universitaria.blogspot.com714C APT U LO 21 Carga elctrica y campo elctrico21.6 El cobre es un buen conductor de la electricidad; el nailon es un buen aislante. a) El alambre de cobre conduce cargas entre la esfera metlica y la varilla de plstico cargada, y as carga negativamente la esfera. Despus, la esfera de metal es b) repelida por una varilla de plstico con carga negativa, y c) atrada a una varilla de vidrio con carga positiva. a) Cordones de nailon aislantesEsfera metlica Varilla de plstico cargada Alambre de cobreEl alambre conduce carga de la varilla de plstico cargada negativamente a la esfera de metal. b)Ahora, una varilla de plstico con carga negativa repele la esfera Varilla de plstico cargadac) y la varilla de vidrio cargada positivamente atrae la esfera. + + + + + Varilla de vidrio cargadase acumule en su cuerpo y ah permanezca, porque no puede uir por las bras aislantes. Si despus usted toca un objeto conductor, como una perilla, ocurre una transferencia rpida de la carga entre sus dedos y la perilla, por lo que siente una descarga. Una forma de evitarlo consiste en enrollar algunas de las bras de la alfombra alrededor de los centros conductores, de modo que cualquier carga que se acumule sobre una persona se transera a la alfombra de manera inofensiva. Otra solucin es cubrir la alfombra con una sustancia antiesttica que no transera fcilmente electrones hacia los zapatos o desde stos; as se evita que se acumulen cargas en el cuerpo. La mayor parte de metales son buenos conductores; en tanto que los no metales son aislantes en su mayora. Dentro de un slido metlico, como el cobre, uno o ms de los electrones externos de cada tomo se liberan y mueven con libertad a travs del material, en forma parecida a como las molculas de un gas se desplazan por los espacios entre los granos de un recipiente de arena. El movimiento de esos electrones con carga negativa lleva la carga a travs del metal. Los dems electrones permanecen unidos a los ncleos con carga positiva, que a la vez estn unidos en posiciones casi jas en el material. En un material aislante no hay electrones libres, o hay muy pocos, y la carga elctrica no se mueve con facilidad a travs del material. Algunos materiales se denominan semiconductores porque tienen propiedades intermedias entre las de buenos conductores y buenos aislantes.Carga por induccin Una esfera de metal se puede cargar usando un alambre de cobre y una varilla de plstico elctricamente cargada, como se indica en la gura 21.6a. En este proceso, algunos de los electrones excedentes en la varilla se transeren hacia la esfera, lo cual deja a la varilla con una carga negativa ms pequea. Hay otra tcnica diferente con la que la varilla de plstico da a otro cuerpo una carga de signo contrario, sin que pierda una parte de su propia carga. Este proceso se llama carga por induccin. En la gura 21.7 se muestra un ejemplo de carga por induccin. Una esfera metlica sin carga se sostiene usando un soporte aislante (gura 21.7a). Cuando se le acerca una varilla con carga negativa, sin que llegue a tocarla (figura 21.7b), los electrones libres en la esfera metlica son repelidos por los electrones excedentes en la varilla, y se desplazan hacia la derecha, lejos de la varilla. No pueden escapar de la esfera porque tanto el soporte como el aire circundante son aislantes. Por lo tanto, existe un exceso de carga negativa en la supercie derecha de la esfera y una deciencia de carga negativa (es decir, hay una carga positiva neta) en su supercie izquierda. Estas cargas excedentes se llaman cargas inducidas. No todos los electrones libres se mueven a la supercie derecha de la esfera. Tan pronto como se desarrolla cualquier carga inducida, ejerce fuerzas hacia la izquierda sobre los dems electrones libres. Estos electrones son repelidos por la carga negativa inducida a la derecha y atrados hacia la carga positiva inducida a la izquierda. El sistema alcanza el equilibrio donde la fuerza hacia la derecha sobre un electrn, debida a la varilla cargada, queda equilibrada por la fuerza hacia la izquierda debida a la carga inducida. Si se retira la varilla cargada, los electrones libres regresan a la izquierda y se restablece la condicin de neutralidad original.21.7 Carga de una esfera metlica por induccin.+ + +Soporte aislante a) Esfera metlica sin carga.b) La carga negativa en la varilla repele a los electrones, lo que crea zonas de carga inducida negativa y positiva. + +Acumulacin Deficiencia de de electrones Varilla con + electrones carga nega- + tiva+Alambre Tierra c) El alambre permite que los electrones acumulados (carga negativa inducida) fluyan hacia la tierra.+ + +Esfera metlica++ ++Carga negativa en la tierra+ d) Se quita el conductor; ahora, la esfera tiene slo una regin con deficiencia de electrones, con carga positiva.e) Se quita la varilla; los electrones se reacomodan por s solos, y toda la esfera tiene una deficiencia de electrones (carga neta positiva). 33. http://libreria-universitaria.blogspot.com21.2 Conductores, aislantes y cargas inducidas71521.8 Las cargas dentro de las molculas de un material aislante se intercambian un poco. Como resultado, un peine con carga de cualquier signo atrae a un material aislante neutro. Segn la tercera ley de Newton, el aislante neutro ejerce una fuerza de atraccin de igual magnitud sobre el peine. a) Un peine cargado levanta trocitos de plstico sin cargab) Cmo un peine con carga negativa atrae un aislantec) Cmo un peine con carga positiva atrae un aislanteLos electrones en cada molcula del aislante neutro se desplazan alejndose del peine.Esta vez, los electrones en las molculas cambian su lugar en direccin del peine + + + + + + + + + + + + + + SComo resultado, las cargas (1) en cada molcula estn ms cerca del peine que las cargas (2) por lo que reciben una fuerza ms intensa del peine; por lo tanto, la fuerza neta es de atraccin. 2F+ + + + + + ++ + ++++ ++ + Peine con + carga positiva S F S por lo que 2F las cargas (2) en cada molcula estn ms cerca del peine, y desde ste reciben una fuerza ms intensa que las cargas (1). Otra vez, la fuerza neta es de atraccin. + + + + + + + + + + + + Peine con carga negativa S FQu pasara si, mientras la varilla de plstico se encuentra cerca, el extremo de un alambre conductor se pusiera en contacto con la supercie derecha de la esfera, y el otro extremo de ste se conectara a tierra (gura 21.7c)? La Tierra es un conductor, y es tan grande que acta como una fuente prcticamente innita de electrones adicionales o como un receptor de los electrones no deseados. Algunas de las cargas negativas uyen a tierra a travs del alambre. Ahora suponga que desconecta el alambre (gura 21.7d) y luego se quita la varilla (gura 21.7e); en la esfera queda una carga positiva neta. Durante este proceso, no cambi la carga negativa de la varilla. La tierra adquiere una carga negativa de magnitud igual a la carga positiva inducida que queda en la esfera. La carga por induccin funcionara igual de bien si las cargas mviles en la esfera fueran positivas, en vez de electrones cargados negativamente, o incluso si estuvieran presentes cargas tanto positivas como negativas. En un conductor metlico, las cargas mviles siempre son electrones negativos; sin embargo, con frecuencia conviene describir un proceso como si las cargas en movimiento fueran positivas. En las soluciones inicas y los gases ionizados, las cargas que se mueven son tanto positivas como negativas.Fuerzas elctricas en objetos sin carga Por ltimo,