Física para Ciencias e Ingeniería, Volumen 2 PDF
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VV 22 OOOOOOLLLLLUUUUUMMMMMMEEEEEENNNNNN NNNNOOOOVVVVEEEENNNNAAA EEEDDDDIIIICCCCIIIIÓÓÓÓÓNNNN FÍSICA para ciencias e ingeniería SERWAY (cid:374)(cid:374) JEWETT Física N O V E N A E D I C I Ó N para ciencias e ingeniería Volumen 2 Raymond A. Serway Emeritus, James Madison University John W. Jewett, Jr. Emeritus, California State Polytechnic University, Pomona Con las contribuciones de Vahé Peroomian, University of California en Los Angeles Traducción María del Carmen Rodríguez Pedroza Revisión técnica Dr. Ernesto Filio López Unidad Profesional en Ingeniería y Tecnologías Aplicadas Instituto Politécnico Nacional © Ashley Cooper/Corbis Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd i 12/22/13 11:25 AM Física para ciencias e ingeniería © D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de Volumen 2 C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Novena edición Corporativo Santa Fe Raymond A. Serway/John W. Jewett, Jr. Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe Presidente de Cengage Learning C.P. 05349, México, D.F. Latinoamérica: Cengage Learning® es una marca registrada Fernando Valenzuela Migoya usada bajo permiso. Director Editorial, de Producción y de DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de Plataformas Digitales para Latinoamérica: este trabajo amparado por la Ley Federal del Ricardo H. Rodríguez Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en Editora de Adquisiciones para Latinoamérica: cualquier forma o por cualquier medio, ya sea Claudia C. Garay Castro gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, Gerente de Manufactura para Latinoamérica: reproducción, escaneo, digitalización, Raúl D. Zendejas Espejel grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o Gerente Editorial de Contenidos en Español: almacenamiento y recopilación en sistemas Pilar Hernández Santamarina de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal Gerente de Proyectos Especiales: del Derecho de Autor, sin el consentimiento Luciana Rabuffetti por escrito de la Editorial. Coordinador de Manufactura: Traducido del libro Rafael Pérez González Physics for Scientists and Engineers, Volume 2, 9th Edition. Editor: Raymond A. Serway; John Jewett, Jr. Sergio R. Cervantes González Publicado en inglés por Brooks/Cole, una compañía de Cengage Learning © 2014 Diseño de portada: ISBN: 978-1-133-95414-9 Roy Neuhaus Datos para catalogación bibliográfica: Imagen de portada: Serway, Raymond A.; John W. Jewett, Jr. © Ashley Cooper/Corbis Física para ciencias e ingeniería, Volumen 2 Composición tipográfica: Novena edición Ediciones OVA ISBN: 978-607-519-201-7 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 17 16 15 14 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd ii 12/22/13 11:25 AM D edicamos este libro a nuestras e l esposas lizabeth y isa, y a todos nuestros hijos y nietos, por su amorosa comprensión cuando pasamos tiempo escribiendo en lugar de estar con ellos. 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd iii 12/22/13 11:25 AM Contenido breve 4 37 Óptica ondulatoria 1134 P A R T E 38 Patrones de difracción y polarización 1160 Electricidad y 6 magnetismo 689 P A R T E Física moderna 1191 23 Campos eléctricos 690 24 Ley de Gauss 725 39 25 Relatividad 1192 Potencial eléctrico 746 40 26 Introducción a la física cuántica 1233 Capacitancia y materiales dieléctricos 777 41 27 Mecánica cuántica 1267 Corriente y resistencia 808 42 28 Física atómica 1296 Circuitos de corriente directa 833 43 29 Moléculas y sólidos 1340 Campos magnéticos 868 44 30 Estructura nuclear 1380 Fuentes del campo magnético 904 45 31 Aplicaciones de la física nuclear 1418 Ley de Faraday 935 46 32 Física de partículas y cosmología 1447 Inductancia 970 33 Circuitos de corriente alterna 998 34 Ondas electromagnéticas 1030 5 P A R T E Luz y óptica 1057 35 Naturaleza de la luz y leyes de óptica geométrica 1058 36 Formación de las imágenes 1090 iv 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd iv 12/22/13 11:25 AM Contenido Acerca de los autores viii 25.7 Experimento de la gota de aceite de Millikan 764 Prefacio ix 25.8 Aplicaciones de la electrostática 765 Al estudiante xxv 26 Capacitancia y materiales dieléctricos 777 26.1 Definición de capacitancia 777 4 26.2 Cálculo de la capacitancia 779 26.3 Combinaciones de capacitores 782 P A R T E 26.4 Energía almacenada en un capacitor con carga 786 Electricidad y 26.5 Capacitores con material dieléctrico 790 26.6 Dipolo eléctrico en un campo eléctrico 793 magnetismo 689 26.7 Descripción atómica de los materiales dieléctricos 795 27 Corriente y resistencia 808 23 Campos eléctricos 690 27.1 Corriente eléctrica 808 27.2 Resistencia 811 23.1 Propiedades de las cargas eléctricas 690 27.3 Modelo de conducción eléctrica 816 23.2 Objetos cargados mediante inducción 692 27.4 Resistencia y temperatura 819 23.3 Ley de Coulomb 694 27.5 Superconductores 819 23.4 Análisis de modelo: partícula en un 27.6 Potencia eléctrica 820 campo (eléctrico) 699 28 Circuitos de corriente directa 833 23.5 Campo eléctrico de una distribución de carga continua 704 28.1 Fuerza electromotriz 833 23.6 Líneas de campo eléctrico 708 28.2 Resistores en serie y en paralelo 836 23.7 Movimiento de partículas cargadas en 28.3 Leyes de Kirchhoff 843 un campo eléctrico uniforme 710 28.4 Circuitos RC 846 28.5 Cableado doméstico y seguridad eléctrica 852 24 Ley de Gauss 725 29 Campos magnéticos 868 24.1 Flujo eléctrico 725 29.1 Análisis de modelo: partícula en un campo (magnético) 869 24.2 Ley de Gauss 728 29.2 Movimiento de una partícula cargada en un campo 24.3 Aplicación de la ley de Gauss a varias magnético uniforme 874 distribuciones de carga 731 29.3 Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas 24.4 Conductores en equilibrio electrostático 735 en un campo magnético 879 29.4 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que 25 Potencial eléctrico 746 transporta corriente 882 25.1 Diferencia de potencial y potencial eléctrico 746 29.5 Momento de torsión sobre una espira de corriente en un 25.2 Diferencia de potencial en un campo campo magnético uniforme 885 eléctrico uniforme 748 29.6 El efecto Hall 890 25.3 Potencial eléctrico y energía potencial debidos 30 a cargas puntuales 752 Fuentes del campo magnético 904 25.4 Obtención del valor del campo eléctrico 30.1 Ley de Biot-Savart 904 a partir del potencial eléctrico 755 30.2 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 909 25.5 Potencial eléctrico debido a distribuciones 30.3 Ley de Ampère 911 de carga continuas 756 30.4 Campo magnético de un solenoide 915 25.6 Potencial eléctrico debido a un 30.5 Ley de Gauss en el magnetismo 916 conductor con carga 761 30.6 Magnetismo en la materia 919 v 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd v 12/22/13 11:25 AM vi Contenido 31 36 Ley de Faraday 935 Formación de las imágenes 1090 31.1 Ley de inducción de Faraday 935 36.1 Imágenes formadas por espejos planos 1090 31.2 Fem de movimiento 939 36.2 Imágenes formadas por espejos esféricos 1093 31.3 Ley de Lenz 944 36.3 Imágenes formadas por refracción 1100 31.4 Fem inducida y campos eléctricos 947 36.4 Imágenes formadas por lentes delgadas 1104 31.5 Generadores y motores 949 36.5 Aberraciones de las lentes 1112 31.6 Corrientes de Eddy 953 36.6 La cámara fotográfica 1113 32 36.7 El ojo 1115 Inductancia 970 36.8 La lupa simple 1118 32.1 Autoinducción e inductancia 970 36.9 El microscopio compuesto 1119 32.2 Circuitos RL 972 36.10 El telescopio 1120 32.3 Energía en un campo magnético 976 37 Óptica ondulatoria 1134 32.4 Inductancia mutua 978 32.5 Oscilaciones en un circuito LC 980 37.1 Experimento de doble rendija de Young 1134 32.6 Circuito RLC 984 37.2 Análisis de modelo: ondas en interferencia 1137 33 37.3 Distribución de intensidad del patrón de interferencia Circuitos de corriente alterna 998 de doble rendija 1140 33.1 Fuentes de CA 998 37.4 Cambio de fase debido a reflexión 1143 33.2 Resistores en un circuito de CA 999 37.5 Interferencia en películas delgadas 1144 33.3 Inductores en un circuito de CA 1002 37.6 El interferómetro de Michelson 1147 33.4 Capacitores en un circuito de CA 1004 38 33.5 Circuito RLC en serie 1007 Patrones de difracción y polarización 1160 33.6 Potencia en un circuito de CA 1011 38.1 Introducción a los patrones de difracción 1160 33.7 Resonancia en un circuito RLC en serie 1013 38.2 Patrones de difracción provenientes de rendijas 33.8 El transformador y la transmisión de energía 1015 angostas 1161 33.9 Rectificadores y filtros 1018 38.3 Resolución de una sola rendija y aberturas circulares 1166 34 38.4 Rejilla de difracción 1169 Ondas electromagnéticas 1030 38.5 Difracción de los rayos X mediante cristales 1174 34.1 Corriente de desplazamiento y la forma general 38.6 Polarización de las ondas luminosas 1175 de la ley de Ampère 1031 34.2 Ecuaciones de Maxwell y los descubrimientos 6 de Hertz 1033 34.3 Ondas electromagnéticas planas 1035 P A R T E 34.4 Energía transportada por ondas electromagnéticas 1039 Física moderna 1191 34.5 Cantidad de movimiento y presión de radiación 1042 34.6 P roducción de ondas electromagnéticas por una antena 1044 39 Relatividad 1192 34.7 El espectro de las ondas electromagnéticas 1045 39.1 Principio de la relatividad galileano 1193 5 39.2 Experimento de Michelson–Morley 1196 39.3 Principio de la relatividad de Einstein 1198 P A R T E 39.4 Consecuencias de la teoría especial de la relatividad 1199 Luz y óptica 1057 39.5 Ecuaciones de transformación de Lorentz 1210 39.6 Ecuaciones de transformación de velocidad de Lorentz 1212 39.7 Cantidad de movimiento lineal relativista 1214 35 39.8 Energía relativista 1216 Naturaleza de la luz y leyes de óptica 39.9 Teoría general de la relatividad 1220 geométrica 1058 40 Introducción a la física cuántica 1233 35.1 Naturaleza de la luz 1058 35.2 Mediciones de la rapidez de la luz 1059 40.1 Radiación de cuerpo negro e hipótesis de Planck 1234 35.3 Aproximación de un rayo en óptica geométrica 1061 40.2 Efecto fotoeléctrico 1240 35.4 Análisis de modelo: la onda bajo reflexión 1061 40.3 Efecto Compton 1246 35.5 Análisis de modelo: la onda bajo refracción 1065 40.4 Naturaleza de las ondas electromagnéticas 1249 35.6 Principio de Huygens 1071 40.5 Propiedades ondulatorias de las partículas 1249 35.7 Dispersión 1072 40.6 Un nuevo modelo: la partícula cuántica 1252 35.8 Reflexión interna total 1074 40.7 Revisión del experimento de doble rejilla 1255 40.8 El principio de incertidumbre 1256 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd vi 12/22/13 11:25 AM vii Contenido 41 46 Mecánica cuántica 1267 Física de partículas y cosmología 1447 41.1 La función de onda 1267 46.1 Fuerzas fundamentales en la naturaleza 1448 41.2 Análisis de modelo: la partícula cuántica 46.2 Positrones y otras antipartículas 1449 bajo condiciones frontera 1271 46.3 Mesones y el principio de la física de partículas 1451 41.3 La ecuación de Schrödinger 1277 46.4 Clasificación de las partículas 1454 41.4 Una partícula en un pozo de altura finita 1279 46.5 Leyes de conservación 1455 41.5 Efecto túnel a través de una barrera de energía 46.6 Partículas extrañas y extrañeza 1459 potencial 1281 46.7 Determinación de patrones en las partículas 1460 41.6 Aplicaciones del efecto túnel 1282 46.8 Quarks 1462 41.7 El oscilador armónico simple 1286 46.9 Quarks multicolor 1465 46.10 El modelo estándar 1467 42 Física atómica 1296 46.11 La conexión cósmica 1469 42.1 Espectros atómicos de los gases 1297 46.12 Problemas y perspectivas 1474 42.2 Los primeros modelos del átomo 1299 Apéndices 42.3 Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno 1300 42.4 Modelo cuántico del átomo de hidrógeno 1306 42.5 Las funciones de onda para el hidrógeno 1308 A 42.6 Interpretación física de los números cuánticos 1311 Tablas A-1 42.7 El principio de exclusión y la tabla periódica 1318 A.1 Factores de conversión A-1 42.8 Más sobre los espectros atómicos: el visible y el rayo X 1322 A.2 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-2 42.9 Transiciones espontáneas y estimuladas 1325 B Repaso matemático A-4 42.10 Láseres 1326 B.1 Notación científica A-4 43 Moléculas y sólidos 1340 B.2 Álgebra A-5 B.3 Geometría A-10 43.1 Enlaces moleculares 1341 B.4 Trigonometría A-11 43.2 Estados de energía y espectros de moléculas 1344 B.5 Desarrollo de series A-13 43.3 Enlaces en sólidos 1352 B.6 Cálculo diferencial A-13 43.4 Teoría de electrones libres en metales 1355 B.7 Cálculo integral A-16 43.5 Teoría de banda en sólidos 1359 B.8 Propagación de incertidumbre A-20 43.6 Conducción eléctrica en metales, aislantes y C semiconductores 1361 Tabla periódica de los elementos A-22 43.7 Dispositivos semiconductores 1364 D Unidades del SI A-24 43.8 Superconductividad 1370 D.1 Unidades del SI A-24 44 Estructura nuclear 1380 D.2 Algunas unidades del SI deducibles A-24 44.1 Algunas propiedades de los núcleos 1381 Respuestas a exámenes rápidos y problemas 44.2 Energía de enlace nuclear 1386 con numeración impar A-25 44.3 Modelos nucleares 1387 44.4 Radiactividad 1390 Índice I-1 44.5 Los procesos de decaimiento 1394 44.6 Radiactividad natural 1404 44.7 Reacciones nucleares 1405 44.8 Resonancia magnética nuclear y formación de imágenes por resonancia magnética 1406 45 Aplicaciones de la física nuclear 1418 45.1 Interacciones donde intervienen neutrones 1418 45.2 Fisión nuclear 1419 45.3 Reactores nucleares 1421 45.4 Fusión nuclear 1425 45.5 Daño por radiación 1432 45.6 Usos de la radiación 1434 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd vii 12/22/13 11:25 AM Acerca de los autores Raymond A. Serway recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology y es profesor emérito en la James Madison University. En 2011 fue galardonado con un doctorado honorario por parte de su alma mater, Utica College. En 1990 recibió el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseñó durante 17 años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde dirigió investigaciones y enseñó de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich, Suiza, trabajó con K. Alex Müller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboró con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además, el doctor Serway es coautor de College Physics, novena edición; Principles of Physics, quinta edición; Essentials of College Physics y Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics, publicado por Holt, Rinehart y Winston. Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 60 conferencias en reuniones profesionales. El doctor Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, pescar, acampar cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de calidad con sus cuatro hijos y diez nietos, y recientemente, otro grandioso nieto. John W. Jewett, Jr. obtuvo su licenciatura en Física en la Drexel University y su doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseñó de 1974 a 1984. En la actualidad es profesor emérito de física en la California State Polytechnic University, en Pomona. A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo promo- tor de la educación en ciencias físicas. Además de recibir cuatro becas National Science Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern Physics Ins- titute (SCAMPI) y el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and Creative Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar currícula efectiva en ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en el Richard Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California State Poly- thecnic University de 1991-1992 y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Association of Physics Teachers (AAPT) en 1998. Ha impartido más de 100 conferencias en reuniones profesionales, incluidas conferen- cias en la AAPT. También ha publicado 25 artículos sobre física de la materia condensada e investigaciones en la enseñanza de la física. Además es autor de The World of Physics: Mysteries, Magic and Myth, el cual proporciona un gran número de conexiones entre la física y las experiencias cotidianas. Aparte de su trabajo en este libro, es coautor de Principles of Physics, quinta edición, así como de Global Issues, un conjunto de cuatro manuales de ciencia integral para educación secundaria. Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar, la fotografía submarina, las lenguas extranjeras y colec- cionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más importante, le gusta pasar el tiempo con su esposa, Lisa, sus hijos y nietos. viii 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd viii 12/22/13 11:25 AM Prefacio Al escribir esta novena edición de Física para ciencias e ingeniería, continuamos con nuestros esfuerzos por mejorar la claridad de la presentación e incluir nuevas carac- terísticas pedagógicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y enseñanza. Al retroalimentar las sugerencias de los usuarios de la octava edición, información obtenida de los alumnos y profesores que utilizan los suplementos digitales, así como de los revisores, hemos clarificado el texto para satisfacer mejor las necesidades de los estudiantes y profesores. Este libro está pensado para un curso introductorio de física para estudiantes que se especializan en ciencia o ingeniería. Todo el contenido del libro en su versión amplia podría cubrirse en un curso de tres semestres, pero es posible usar el mate- rial en secuencias más breves con la omisión de capítulos y subtemas seleccionados. Los antecedentes matemáticos ideales de los estudiantes que tomen este curso deben incluir un semestre de cálculo. Si esto no es posible, el estudiante debe inscribirse en un curso simultáneo de introducción al cálculo. Contenido El material en este libro cubre temas fundamentales de física clásica y proporciona una introducción a la física moderna. El libro se divide en seis partes. La Parte 1 (capí- tulos 1 a 14) se relaciona con los fundamentos de la mecánica newtoniana y la física de fluidos; la Parte 2 (capítulos 15 a 18) cubre oscilaciones, ondas mecánicas y sonido; la Parte 3 (capítulos 19 a 22) aborda el calor y la termodinámica. La Parte 4 (capítulos 23 a 34) trata la electricidad y el magnetismo; la Parte 5 (capítulos 35 a 38) cubre luz y óptica; la Parte 6 (capítulos 39 a 46) aborda la relatividad y la física moderna. Objetivos Este libro de introducción a la física tiene tres objetivos principales: proporcionar al estudiante una presentación clara y lógica de los conceptos básicos y principios de la física, fortalecer la comprensión de los conceptos y principios a través de un amplio rango de interesantes aplicaciones al mundo real y desarrollar habilidades para resolver problemas por medio de un enfoque efectivamente organizado. Para alcanzar estos objetivos hemos enfatizado en argumentos físicos sólidos y en una metodología para resolver problemas. Al mismo tiempo hemos intentado motivar al estudiante mediante ejemplos prácticos que demuestren el papel de la física en otras disciplinas, incluidas ingeniería, química y medicina. Cambios en la Novena edición Para preparar la novena edición de este texto se hicieron muchos cambios y mejo- ras. Algunas de las nuevas características se basan en nuestras experiencias y en las tendencias actuales en educación en ciencia. Otros cambios se incorporaron en res- puesta a comentarios y sugerencias ofrecidos por los usuarios de la octava edición y por revisores del manuscrito. Las características que se mencionan aquí representan los principales cambios en la novena edición. ix 00_SERWAY_Preliminares_TOMO 2.indd ix 12/22/13 11:25 AM
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