www.elsolucionario.org El objetivo de Fundamentos de Física es proporcionar un texto centrado en Otro libro de interés los principios esenciales, un texto más corto y mejor enfocado, que permita Física universitaria, 12.a ed. satisfacer mejor las necesidades de aprendizaje de los estudiantes de hoy día, al Sears, Zemansky, Young y Freedman a mismo tiempo que les enseña de forma más efectiva a dominar la Física. PEARSon EDUCACIÓn La brevedad no implica que el proceso de aprendizaje del estudiante se tenga ISBn 978-60-7442-288-7 (Vol. I) c que ver afectado. ISBn 978-60-7442-304-4 (Vol. II) i s Este texto ha sido diseñado desde el principio de manera que resulte í conciso y bien enfocado, obteniéndose así un libro mucho menos intimidante f y más fácil de utilizar, en el que las explicaciones, las ilustraciones, los ejemplos resueltos y los problemas del final de cada capítulo están bien coordinados entre e sí. El libro adopta un enfoque basado en la interconexión: la conexión de unas d ideas con otras y de unos capítulos con otros, la conexión de la Física con el mundo real, la conexión entre el texto y las fórmulas matemáticas, y la conexión s con el modo en que los estudiantes de hoy día aprenden y la forma en que emplean sus libros de texto. Además de proporcionar una sólida base con la que o se enseñan los principios de la Física, el texto también se centra en el objetivo de t que los estudiantes aprendan las necesarias técnicas de resolución de problemas. n Este enfoque integrado y sencillo hace que Fundamentos de Física resulte el libro perfecto. e m Aprendizaje como parte del curso a Cada ejemplar de este libro viene acompañado con un código de d acceso al sitio web www.masteringphysics.com que ofrece una enseñanza n individualizada, mejora el aprendizaje y permite a los profesores obtener un F undamentos de física análisis del rendimiento de los estudiantes. u F Rex Wolfson ISBN 978-84-7829-125-0 9 788478 291250 ISBN 978-84-7829-125-0 Andrew Rex Richard Wolfson 9 788478 291250 www.pearsoneducacion.com AA_PRINCIPIOS 12/4/11 11:42 Página ii www.elsolucionario.org AA_PRINCIPIOS 12/4/11 11:42 Página i Fundamentos de Física AA_PRINCIPIOS 12/4/11 11:42 Página ii www.elsolucionario.org AA_PRINCIPIOS 12/4/11 11:42 Página iii Fundamentos de Física Andrew F. Rex University of Puget Sound Richard Wolfson Middlebury College Traducción Vuelapluma Revisión técnica Pedro Hidalgo Alcalde Departamento de Física de Materiales Universidad Complutense de Madrid Miguel Ángel Hidalgo Moreno Departamento de Física Aplicada Universidad de Alcalá de Henares AA_PRINCIPIOS 12/4/11 11:42 Página iv FUNDAMENTOS DE FÍSICA Andrew F. Rex, Richard Wolfson PEARSON EDUCACIÓN, S. A. 2011 ISBN: 978-84-7829-131-1 Materia: 53. Física Formato: 215 x 270 mm. Páginas: 770 DERECHOS RESERVADOS ©PEARSON EDUCACIÓN, S.A., 2011 Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (España) Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser reali- zada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Código penal). Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org), si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. Authorized translation from the English language edition, entitled ESSENTIALCOLLEGE PHYSICS, VOLUME 1 and VOLUME 2, 1st Edition by ANDREWREX; RICHARD WOLFSON, published by Pearson Education, Inc, publishing as Addison-Wesley, Copyright ©2010. www.elsolucionario.org All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. SPANISH language edition published by PEARSON EDUCACION S.A., Copyright ©2011. ISBN: 978-84-7829-125-0 Depósito Legal: Equipo editorial: Editor:Miguel Martín-Romo Técnico Editorial:Esther Martín Equipo de producción: Director:José A. Clares Técnico:Tini Cardoso Diseño de cubierta:Copibook, S.L. Composición: Vuelapluma S.L. Impreso por: IMPRESO EN ESPAÑA- PRINTED IN SPAIN Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecológicos Nota sobre enlaces a páginas web ajenas:Este libro puede incluir enlaces a sitios web gestionados por terceros y ajenos a PEARSON EDUCACIÓN S.A. que se incluyen solo con finalidad informativa. PEARSON EDUCACIÓN S.A. no asume ningún tipo de responsabilidad por los daños y perjuicios derivados del uso de los datos personales que pueda hacer un tercero encargado del mantenimiento de las páginas web ajenas a PEARSON EDUCACIÓN S. Ay del funcionamiento, accesibilidad o mantenimiento de los sitios web no gestionados por PEARSON EDUCACIÓN S.A. Las referencias se proporcionan en el estado en que se encuentran en el momento de publicación, sin garantías, expresas o implícitas, sobre la información que se proporcione en ellas. AA_ROMANOS 12/4/11 11:41 Página v www.elsolucionario.org Resumen del contenido Capítulo 1 Las medidas en la Física 1 Capítulo 2 Movimiento unidimensional 18 Capítulo 3 Movimiento bidimensional 42 Capítulo 4 La fuerza y las leyes del movimiento de Newton 67 Capítulo 5 Trabajo y energía 98 Capítulo 6 Cantidad de movimiento y colisiones 128 Capítulo 7 Oscilaciones 156 Capítulo 8 Movimiento de rotación 180 Capítulo 9 Gravitación 213 Capítulo 10 Sólidos y fluidos 239 Capítulo 11 Ondas y sonido 263 Capítulo 12 Temperatura, expansión térmica y gases ideales 287 Capítulo 13 Calor 309 Capítulo 14 Las leyes de la termodinámica 333 Capítulo 15 Cargas, fuerzas y campos eléctricos 361 Capítulo 16 Energía eléctrica, potencial eléctrico y condensadores 391 Capítulo 17 Corriente eléctrica, resistencia y circuitos 415 Capítulo 18 Campos magnéticos y fuerzas magnéticas 445 Capítulo 19 Inducción electromagnética y corriente alterna 473 Capítulo 20 Ondas electromagnéticas y relatividad especial 503 Capítulo 21 Óptica geométrica 534 Capítulo 22 Óptica ondulatoria 567 Capítulo 23 Física moderna 591 Capítulo 24 Física atómica 618 Capítulo 25 Física nuclear 649 Capítulo 26 Un universo de partículas 681 AA_ROMANOS 12/4/11 11:41 Página vi Estrategias de resolución de problemas y Tácticas Capítulo Estrategia de resolución de problemas Pág. 2 2.1 Resolución de problemas cinemáticos con aceleración constante 33 3 3.1 Resolución de problemas de movimiento de proyectiles 56 4 4.1 Resolución de problemas de Dinámica 77 5 5.1 El teorema del trabajo-energía 109 5.2 Conservación de la energía mecánica 114 6 6.1 Conservación de la cantidad de movimiento 134 8 8.1 Problemas de Cinemática con aceleración angular constante 185 8.2 Equilibrio mecánico 199 13 13.1 Calentamiento, fusión y vaporización 320 15 15.1 Cálculo de la fuerza neta debida a varias cargas eléctricas 369 16 16.1 Redes de condensadores 404 17 17.1 Redes de resistencias 427 Capítulo Táctica Pág. 1 1.1 Conversiones de unidades 7 3 3.1 Suma y resta de vectores 48 4 4.1 Dibujo de diagramas de fuerza 69 11 11.1 Nivel de intensidad y decibelios 274 14 14.1 La primera ley de la Termodinámica 341 18 18.1 Cómo dibujar vectores en tres dimensiones 449 19 19.1Aplicación de la ley de Lenz 475 21 21.1 Formación de imágenes en espejos cóncavos 538 21.2 Formación de imágenes en lentes convexas 547 AA_ROMANOS 12/4/11 11:41 Página vii Acerca de los autores Andrew F. Rex Andrew F. Rex ha sido profesor de Física en la universidad de Puget Sound desde 1982. Imparte frecuentemente el curso de Física universitaria, por lo que conoce bien los de- safíos a los que se enfrentan tanto los estudiantes como los profesores. Es autor de varios libros de texto, entre los que se incluyen Modern Physics for Scientists and Engineerse Integrated Physics and Calculus. Además de escribir libros de texto, investiga los funda- mentos de la segunda ley de la Termodinámica, lo que le ha permitido publicar diversos artículos, así como el muy aclamado libro Maxwell’s Demon: Entropy, Information, Computing. Richard Wolfson Richard Wolfson ha sido profesor de Física en Middlebury College durante más de 15 años. Además de sus libros de texto, Essential University Physics, Physicsfor Scientists and Engineersy Energy, Environment and Climate, ha escrito dos libros de divulgación científica: Nuclear Choices: ACitizen’s Guide To Nuclear Technologyy Simply Einstein: Relativity Demiystified. Sus cursos en vídeo para Teaching Company incluyen Physics in your Life y Einstein´s Relativity and the Quantum Revolution: Modern Physics for Non- Scientists. AA_ROMANOS 12/4/11 11:41 Página viii www.elsolucionario.org Prefacio para el profesor Durante las tres décadas que hemos estado enseñando Física, los libros de texto de Física con enfoque algebraico han ido creciendo en longitud, complejidad y precio. Hemos lle- gado a un punto en el que los libros de texto pueden resultar abrumadores para los estu- diantes, muchos de los cuales estudian Física como requisito para alguna otra titulación o profesión y no van a asistir en el futuro a ningún otro curso de esta materia. Sin embar- go, también nos hemos encontrado con muchos estudiantes en esos cursos con enfoque algebraico que están ansiosos por saber cómo explica la Física lo que podemos ver en nuestra vida cotidiana, cómo se relaciona con otras disciplinas y hasta qué punto resul- tan atractivas las nuevas ideas en el campo de la Física. Un libro conciso y bien enfocado Lo primero que podrá observar al examinar este libro es que es más conciso que la mayo- ría de los libros con enfoque algebraico. Estamos convencidos de que es perfectamente posible proporcionar un libro más corto y mejor enfocado que satisfaga mejor las nece- sidades de aprendizaje de los estudiantes de hoy día, al mismo tiempo que guía a dichos estudiantes de forma más efectiva durante su proceso de aprendizaje de la Física. El len- guaje del libro es conciso y atractivo, sin por ello sacrificar la profundidad de los análi- sis. ¡La brevedad no tiene por qué conseguirse a expensas del propio proceso de apren- dizaje! Hemos diseñado este libro desde el principio para que fuera conciso y estuviera bien enfocado, en lugar de abreviar simplemente un libro más largo. Los estudiantes wwcomwprob.aeránl qsueo el ltuextoc fiinoal ens mauchroi moen.oos inrtimgidante y más fácil de emplear, estando muy bien coordinadas las explicaciones, las figuras y los ejemplos. El énfasis en las conexiones Además de hacer que el volumen resulte menos abrumador, hemos tratado de poner el acento en las relaciones, con el fin de mejorar la comprensión del estudiante y combatir el prejuicio de que la Física es simplemente una larga lista de hechos y fórmulas. Conexión de las ideas: la organización de los temas y las propias explicaciones tratan de resaltar la relación entre las distintas ideas. Allí donde ha sido posible, las explicaciones apuntan directamente a un ejemplo resuelto a la siguiente sección. Los propios ejemplos resueltos pueden servir como puente, no solo para el material precedente que se preten- de ilustrar con ese ejemplo, sino también para introducir una nueva idea que luego se explica en la siguiente sección. Estos puentes funcionan en ambas direcciones; el texto trata siempre de mirar hacia adelante y hacia atrás, con el fin de explotar la enorme can- tidad de conexiones existentes en el campo de la Física. Conexión de la Física con el mundo real:en lugar de limitarnos a enunciar los hechos de la Física y a respaldarlos con ejemplos, el libro desarrolla una serie de conceptos clave a partir de la observación de fenómenos del mundo real. Este enfoque ayuda a los estudian- tes a comprender qué es la Física y cómo se relaciona con su vida diaria. Además, nume- rosos ejemplos y aplicaciones ayudan a los estudiantes a explorar las ideas de la Física en relación con el mundo real. Se establecen conexiones con fenómenos que resultarán atractivos para el estudiante: aplicaciones de la vida cotidiana (calefacción de una vivien- da, la física del vuelo, los DVD, los vehículos híbridos y muchos otros), de la biome- dicina (marcapasos, flujo sanguíneo, membranas celulares, imágenes médicas) y de investigaciones avanzadas en los campos de la ciencia y la tecnología (superconductivi- dad, nanotecnología, ultracondensadores). Estas aplicaciones pueden utilizarse para sus- citar el interés en determinados temas de la Física, o pueden surgir a medida que se