Física Conceptual

828 Pages·2007·18.31 MB·Spanish

by  P.G. Hewitt

Los conocimientos de la Física son una parte muy valiosa de la educación general.
Esta obra te asombrará, pues ampliará la forma en que ves el mundo que te rodea:
todo en la naturaleza está relacionado, a través de fenómenos que aparentemente
son distintos y que, con frecuencia, siguen las mismas reglas básicas.
Desde su primera edición Física conceptual logró que los estudiantes aprendieran
con analogías e imaginación, a partir de situaciones de la vida cotidiana,
para construir una bien cimentada comprensión de los principios físicos,
que van de la mecánica clásica a la física moderna. Así, los estudiantes estarán mejor
preparados para entender las ecuaciones de la Física, y más motivados para resolver
los ejercicios que hacen trabajar la mente.
En esta décima edición destacan los siguientes aspectos:

(cid:129) Se aumentaron los ejemplos del mundo real y los temas de actualidad.
(cid:129) La segunda parte, “Propiedades de la materia”, comienza con un nuevo capítulo
sobre átomos.
(cid:129) Se incluyen nuevas imágenes, gráficas y fotografías.
(cid:129) Hay una nueva sección, “Cálculos de un paso”, que es un conjunto de problemas
de sustitución que requieren de soluciones sencillas.
(cid:129) Los problemas van precedidos de ejercicios cualitativos; y en cada capítulo
se presentan un promedio de 10 problemas inéditos.
(cid:129) Los recuadros ¡Eureka!, que aparecen al margen de muchas páginas,
son una novedad, y su objetivo es despertar la curiosidad del estudiante.
(cid:129) El sitio Web, disponible en http://www.physicsplace.com, ahora incluye todavía
más recursos.
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Décima
edición Décima edición

Algunas fechas importantes en la historia de la Física Números expresados en notación científica
APROX. 320 A. C. Aristóteles describe el movimiento en términos de tendencias naturales. 1 000 000�10�10�10�10�10�10 �106 mega
APROX. 250 A. C. Arquímedes descubre el principio de flotabilidad. 100 000�10�10�10�10�10 �105
10 000�10�10�10�10 �104
APROX. 150 D. C. Tolomeo refina el sistema geocéntrico. 1000�10�10�10 �103 kilo
1543 Copérnico publica su sistema heliocéntrico. 100�10�10 �102
1575–1596 Brahe mide posiciones precisas de los planetas en el cielo. 10�10 �101
1�1 �100
1609 Galileo usa por primera vez un telescopio como herramienta astronómica. 0.1�1>10 �10�1
1609/1619 Kepler publica tres leyes del movimiento planetario. 0.01�1>100�1>102 �10�2 centi
0.001�1>1000�1>103 �10�3 milli
1634 Galileo avanza en la comprensión del movimiento acelerado.
0.000 1�1>10 000�1>104 �10�4
1661 Boyle relaciona la presión y el volumen de los gases a temperatura constante. 0.0 000 1�1>100 000�1>105 �10�5
1676 Roemer demuestra que la luz tiene una rapidez finita. 0.00 000 1�1>1 000 000�1>106 �10�6 micro
1678 Huygens desarrolla una teoría ondulatoria de la luz.
1687 Newton presenta la teoría de la mecánica en Principia.
Factores de conversión
1738 Bernoulli explica el comportamiento de los gases en términos de movimientos
moleculares.
Longitud y volumen Presión
1747 Franklin sugiere la conservación del “fuego” eléctrico (la carga). 1 pulgada �2.54 cm (exacto) 1 Pa�1 N>m2
1780 Galvani descubre la “electricidad animal”. 1 pie �0.3048 m (exacto) 1 atm�1.01325�105 Pa
1 m �39.37 in. 1 lb/in.2 � 6895
1785 Coulomb determina con precisión la ley de la fuerza eléctrica.
1 mi �1.6093440 km
1795 Cavendish mide la constante gravitacional G. Energía y potencia
1 litro �103 cm3 �10–3 m3
1 cal�4.184 J
1798 Rumford dice que el calor es una forma de movimiento.
Tiempo 1 kWh�3.60�106 J
1800 Volta inventa la batería eléctrica. 1 año �365�1� días �3.1558�107 s 1 eV�1.602�10�19 J
4
1 d �86,400 s 1 u�931.5 MeV
1802 Young aplica la teoría ondulatoria para explicar la interferencia.
1 h �3600 s 1 hp�746 W
1811 Avogadro sugiere que a iguales temperatura y presión, todos los gases tienen la misma
Masa Velocidad
cantidad de moléculas por unidad de volumen.
1 kg �1000 g 1 m>s�3.60 km>h�2.24 mi>h
1815–1820 Young y otros dan pruebas de la naturaleza ondulatoria de la luz.
1 kg pesa 2.205 lb 1 km>h�0.621 mi>h
1820 Oersted descubre el efecto magnético de una corriente eléctrica. 1 uma �1.6605�10�27 kg
Fuerza
1820 Ampère establece la ley de fuerza entre conductores con corriente eléctrica.
1 lb�4.448 N
1821 Fraunhofer inventa la rejilla de difracción.
1824 Carnot establece que el calor no se puede transformar totalmente en trabajo.
1831 Faraday y Henry descubren la inducción electromagnética.
1842–1843 Mayer y Joule sugieren una ley general de la conservación de la energía.
1846 Adams y Leverrier predicen la existencia del planeta Neptuno.
1865 Maxwell presenta la teoría electromagnética de la luz.
1869 Mendeleev organiza los elementos en una tabla periódica.
1877 Boltzmann relaciona la entropía con la probabilidad..
1885 Balmer establece la regularidad numérica en el espectro de hidrógeno.
1887 Michelson y Morley no pueden detectar el éter.
1888 Hertz genera y detecta las ondas de radio.
1895 Roentgen descubre los rayos X.
Pantone Negro
Algunas fechas importantes en la historia de la Física Números expresados en notación científica
APROX. 320 A. C. Aristóteles describe el movimiento en términos de tendencias naturales. 1 000 000�10�10�10�10�10�10 �106 mega
APROX. 250 A. C. Arquímedes descubre el principio de flotabilidad. 100 000�10�10�10�10�10 �105
10 000�10�10�10�10 �104
APROX. 150 D. C. Tolomeo refina el sistema geocéntrico. 1000�10�10�10 �103 kilo
1543 Copérnico publica su sistema heliocéntrico. 100�10�10 �102
1575–1596 Brahe mide posiciones precisas de los planetas en el cielo. 10�10 �101
1�1 �100
1609 Galileo usa por primera vez un telescopio como herramienta astronómica. 0.1�1>10 �10�1
1609/1619 Kepler publica tres leyes del movimiento planetario. 0.01�1>100�1>102 �10�2 centi
0.001�1>1000�1>103 �10�3 milli
1634 Galileo avanza en la comprensión del movimiento acelerado.
0.000 1�1>10 000�1>104 �10�4
1661 Boyle relaciona la presión y el volumen de los gases a temperatura constante. 0.0 000 1�1>100 000�1>105 �10�5
1676 Roemer demuestra que la luz tiene una rapidez finita. 0.00 000 1�1>1 000 000�1>106 �10�6 micro
1678 Huygens desarrolla una teoría ondulatoria de la luz.
1687 Newton presenta la teoría de la mecánica en Principia.
Factores de conversión
1738 Bernoulli explica el comportamiento de los gases en términos de movimientos
moleculares.
Longitud y volumen Presión
1747 Franklin sugiere la conservación del “fuego” eléctrico (la carga). 1 pulgada �2.54 cm (exacto) 1 Pa�1 N>m2
1780 Galvani descubre la “electricidad animal”. 1 pie �0.3048 m (exacto) 1 atm�1.01325�105 Pa
1 m �39.37 in. 1 lb/in.2 � 6895
1785 Coulomb determina con precisión la ley de la fuerza eléctrica.
1 mi �1.6093440 km
1795 Cavendish mide la constante gravitacional G. Energía y potencia
1 litro �103 cm3 �10–3 m3
1 cal�4.184 J
1798 Rumford dice que el calor es una forma de movimiento.
Tiempo 1 kWh�3.60�106 J
1800 Volta inventa la batería eléctrica. 1 año �365�1� días �3.1558�107 s 1 eV�1.602�10�19 J
4
1 d �86,400 s 1 u�931.5 MeV
1802 Young aplica la teoría ondulatoria para explicar la interferencia.
1 h �3600 s 1 hp�746 W
1811 Avogadro sugiere que a iguales temperatura y presión, todos los gases tienen la misma
Masa Velocidad
cantidad de moléculas por unidad de volumen.
1 kg �1000 g 1 m>s�3.60 km>h�2.24 mi>h
1815–1820 Young y otros dan pruebas de la naturaleza ondulatoria de la luz.
1 kg pesa 2.205 lb 1 km>h�0.621 mi>h
1820 Oersted descubre el efecto magnético de una corriente eléctrica. 1 uma �1.6605�10�27 kg
Fuerza
1820 Ampère establece la ley de fuerza entre conductores con corriente eléctrica.
1 lb�4.448 N
1821 Fraunhofer inventa la rejilla de difracción.
1824 Carnot establece que el calor no se puede transformar totalmente en trabajo.
1831 Faraday y Henry descubren la inducción electromagnética.
1842–1843 Mayer y Joule sugieren una ley general de la conservación de la energía.
1846 Adams y Leverrier predicen la existencia del planeta Neptuno.
1865 Maxwell presenta la teoría electromagnética de la luz.
1869 Mendeleev organiza los elementos en una tabla periódica.
1877 Boltzmann relaciona la entropía con la probabilidad..
1885 Balmer establece la regularidad numérica en el espectro de hidrógeno.
1887 Michelson y Morley no pueden detectar el éter.
1888 Hertz genera y detecta las ondas de radio.
1895 Roentgen descubre los rayos X.
Pantone Negro
1896 Becquerel descubre la radiactividad.
1897 Thomson establece que los rayos catódicos son corpúsculos negativos (electrones).
1900 Planck presenta la idea cuántica.
1905 Einstein presenta el concepto de corpúsculo de luz (fotón).
1905 Einstein presenta la teoría de la relatividad especial.
1911 Rutherford descubre el átomo nuclear.
1913 Bohr formula una teoría cuántica del átomo de hidrógeno.
1915 Einstein presenta la teoría de la relatividad general.
1923 Compton confirma con experimentos la existencia del fotón.
1924 De Broglie presenta la teoría ondulatoria de la materia.
1925 Goudsmit y Uhlenbeck establecen el espín del electrón.
1925 Pauli forma el principio de exclusión.
1926 Schrödinger desarrolla la teoría ondulatoria de la mecánica cuántica.
1927 Davisson, Gremer y Thomson comprueban la naturaleza ondulatoria de los
electrones.
1927 Heisenberg propone el principio de incertidumbre.
1928 Dirac combina la relatividad y la mecánica cuántica en una teoría del electrón.
1929 Hubble descubre que el Universo se expande.
1932 Anderson descubre la materia en forma de positrón.
1932 Chadwick descubre el neutrón.
1932 Heisenberg describe la explicación de la estructura nuclear como neutrones y protones.
1934 Fermi propone una teoría de la aniquilación y la creación de la materia.
1938 Meitner y Frisch interpretan los resultados de Hahn y Strassmann como fisión
nuclear.
1939 Bhor y Wheeler presentan una teoría detallada de la fisión nuclear.
1942 Fermi construye y opera el primer reactor nuclear.
1945 Oppenheimer y su equipo producen una explosión nuclear, en Los Álamos.
1947 Bardeen, Brattain y Shockley desarrollan el transistor.
1956 Reines y Cowan identifican al antineutrino.
1957 Feynman y Gell-Mann explican todas las interacciones débiles con un neutrino
“izquierdo”.
1960 Maiman inventa el láser.
1965 Penzias y Wilson descubren la radiación de fondo en el Universo, residuo del Big Bang.
1967 Bell y Hewish descubren los pulsares, que son estrellas de neutrones.
1968 Wheeler bautiza los agujeros negros.
1969 Gell-Mann sugiere que los quarks son los bloques constructivos de los nucleones.
1977 Lederman y su equipo descubren el quark “bottom” (fondo).
1981 Binning y Rohrer inventan el microscopio de barrido y tunelización.
1987 Bednorz y Müller descubren la superconductividad de alta temperatura.
1995 Cornell y Wieman crean un “condensado Bose-Einstein” a 20 milésimas de millo-
nésimas de un grado.
2000 Pogge y Martini demuestran la existencia de agujeros negros supermasivos en otras
galaxias.

Física
conceptual
Décima edición
Escrita e ilustrada por
City College of San Francisco
Traducción:
Victoria Augusta Flores Flores
Traductora profesional
Revisión técnica:
Juan Antonio Flores Lira
Universidad Nacional Autónoma de México
Datos de catalogación bibliográfica
Paul G. Hewitt
Física conceptual. Décima edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007
ISBN: 978-970-26-0795-3
Área: Ciencias
Formato: 20 (cid:2) 25.5 cm Páginas: 824
Authorized translation from the English language edition, entitled Conceptual physics 10thed., by Paul G. Hewitt published by Pearson Education, Inc.,
publishing as Benjamin Cummings, Copyright ©2006. All rights reserved.
ISBN 0-8053-9375-7
Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada Conceptual physics 10/e de Paul G. Hewitt, publicada por Pearson Education, Inc.,
publicada como Benjamin Cummings, Copyright ©2006. Todos los derechos reservados.
Esta edición en español es la única autorizada.
Edición en español
Editor: Enrique Quintanar Duarte
[email protected]
Editor de desarrollo: Felipe Hernández Carrasco
Supervisor de producción: Enrique Trejo Hernández
Edición en inglés
Editor-in-Chief: Adam Black, Ph.D.
Project Editor: Liana Allday
Managing Editor: Erin Gregg
Senior Production Supervisor: Corinne Benson
Senior Manufacturing Buyer: Michael Early
Executive Marketing Manager: Christy Lawrence
Photo Researcher: Ira Kleinberg
Cover Designer: Yvo Riezebos Design
Cover Photo Credits: Wave and surfer, Photolibrary.com/AMANA AMERICA INC. IMA USA INC.; particle tracks, Lawrence
Berkeley National Laboratory, University of California.
Physics Logo Designer: Ernie Brown
Text Designer: Carolyn Deacy
Cover Printer: Phoenix Color Corporation
Text Printer: Courier, Kendallville
Project Manager: Ruth Sakata Corley
Composition: Techbooks/GTS
DÉCIMA EDICIÓN, 2007
D.R. © 2007 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V.
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El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes.
ISBN 10: 970-26-0795-7
ISBN 13: 978-970-26-0795-3
Impreso en México. Printed in Mexico.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 – 10 09 08
A Lillian Lee Hewitt
Contenido breve
Contenido vii PARTE CINCO
Al estudiante xiii Electricidad y magnetismo 409
Al profesor xiv
Agradecimientos xvii 22 Electrostática 410
1 Acerca de la ciencia 2 23 Corriente eléctrica 436
24 Magnetismo 458
PARTE UNO 25 Inducción electromagnética 477
Mecánica 21
PARTE SEIS
2 Primera ley de Newton del movimiento: inercia 22 Luz 495
3 Movimiento rectilíneo 41
4 Segunda ley de Newton 58 26 Propiedades de la luz 496
5 Tercera ley de Newton del movimiento 74 27 Color 515
6 Cantidad de movimiento 91 28 Reflexión y refracción 530
7 Energía 110 29 Ondas luminosas 558
8 Movimiento rotatorio 131 30 Emisión de la luz 582
9 Gravedad 161 31 Cuantos de luz 600
10 Movimiento de proyectiles y de satélites 184
PARTE SIETE
PARTE DOS Física atómica y nuclear 619
Propiedades de la materia 209
32 El átomo y el cuanto 620
11 La naturaleza atómica de la materia 210 33 El núcleo atómico y la radiactividad 634
12 Sólidos 229 34 Fisión y fusión nucleares 661
13 Líquidos 248
PARTE OCHO
14 Gases y plasmas 268
Relatividad 685
PARTE TRES
35 Teoría de la relatividad especial 686
Calor 289
36 Teoría de la relatividad general 720
15 Temperatura, calor y expansión 290 Epílogo 735
16 Transferencia de calor 306 Apéndice A Sistemas de medida 737
17 Cambio de fase 325 Apéndice B Más acerca del movimiento 741
18 Termodinámica 342 Apéndice C Trazado de gráficas 745
Apéndice D Más acerca de vectores 749
PARTE CUATRO Apéndice E Crecimiento exponencial y tiempo de
Sonido 361 duplicación 755
Glosario 761
19 Vibraciones y ondas 362
Créditos de fotografías 778
20 Sonido 380
Índice 781
21 Sonidos musicales 398
vi