Ohanian Fisica 3e Contenido Volumen 2

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CONSTANTES FUNDAMENTALES (Véase el apéndice 7 para mayor información)

R � NA

N A � 6.02 � 1023�

k � 1.38 � 10�23 J�K

mB �e U

2me� 9.27 � 10�24 J� T

h�mec � 2.43 � 10�12 m

4p�0-U2�mee

2 � 5.29 � 10�11 m

mn � 1.675 � 10�27 kg

mp � 1.673 � 10�27 kg

me � 9.11 � 10�31 kg

�e � �1.60 � 10�19 C

1�4p�0 � 8.99 � 109 m�F

�0 � 8.85 � 10�12 F�m

m0�4p � 1.00 � 10�7 H�m

m0 � 1.26 � 10�6 H�m

G � 6.67 � 10�11 2�kg2

U � h�2p � 1.05 � 10�34

h � 6.63 � 10�34

c � 3.00 � 108 m�sRapidez de la luz

Constante de Planck

Constante gravitacional

Constante de permeabilidad

Constante de permitividad

Constante de Coulomb

Radio de Bohr

Longitud de onda de Compton

Magnetón de Bohr

Constante de Boltzmann

Número de Avogadro

Constante universal de los gases

mol

J � s

J � s

k � 8.31 J/mol · K

N � m

Carga del electrón

Masa del electrón

Masa del protón

Masa del neutrón

CONSTANTES FÍSICAS DIVERSAS

Aceleración normal

331 m/s

2.26�106 J/kg � 539 kcal/kg

3.34�105 J/kg � 79.7 kcal/kg

1.331.4 kW>m2

1 cal � 4.187 J

3

(0�C, 1 atm)

(0�C, 1 atm)1.29 kg�m3

1 g � 9.81 m�s2 � 2

28.98 g/mol

� 32.2 pie s

1 000 kg>m

de la gravedad

Masa molecular del aire

Densidad del aire seco

Rapidez del sonido en el aire

Densidad del agua

Calor de vaporización del agua

Calor de fusión del hielo

Equivalente mecánico del calor

Constante solarÍndice de refracción

del agua

PREFIJOS PARA LAS UNIDADES

FACTOR PREFIJO SÍMBOLO

exa E

peta P

tera T

giga G

mega M

kilo k

hecto h

10 deka da

deci d

centi c

m

micro

nano n

pico p

femto f

atto a10�18

10�15

10�12

10�9

m10�6

10�3

10�2

10�1

102

103

106

109

1012

1015

1018

mili

UNIDADES ESPECIALES Y FACTORES DE CONVERSIÓN (Véase el apéndice 8 para mayor información)

CANTIDAD UNIDAD SÍMBOLO CONVERSIÓN

longitud pulgada Å 1 Å

— 15 m

lb

u

eV

lb-f 1 lb-f � 4.448 N

atm

torr

rad 1 rad � 57.30�

�F � 95(�C) � 32�F

�C � K � 273.15�C

1 torr � 1 atm>760

1 atm � 1.013 � 105 Pa

1 eV � 1.602 � 10�19 J

1 u � 1.661 � 10�27 kg

1 lb � 0.453 6 kg

7 s

3 3 � 10�3 m3

1 cm3 �3cm3, cc

� 10�8 cm � 10�10 m

pulg

litro, L

año

1 año luz � 9.461 � 10

1 L � 10 cm

1 año � 365.25 d � 3.56 � 10

� 1 mL � 10

1 pulg � 2.540 cm

L

longitud angstromlongitud año luzvolumen centímetro cúbicovolumen litrotiempo añomasa libramasa unidad de masa atómicaenergía electrón-voltfuerza libra-fuerzapresión atmósferapresión torrtemperatura escala Celsiustemperatura escala Fahrenheitángulo radián

I

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DATOS DEL SISTEMA SOLAR

TIERRA LUNA

Masa

g � 9.81 m�s2 � 2

� 3

R�E � 6.357 � 106 m

RE � 6.378 � 106 m

ME � 5.98 � 1024 kg

5 520 kg m

� 32.2 pie s

Masa

3.84 � 108 m

1.62 m�s2

� 3

1.74 � 106 m

7.35 � 1022 kg

27.3 días

1 mes sideral � 27.3 días

3 340 kg m

Radio ecuatorial Radio

Radio polar Momento de inercia

Densidad media Gravedad superficial

Gravedad superficial Periodo de rotación

Periodo de rotación

4 s 1 día sideral � 23 h 56 min 4 s � 8.616 � 10

Momento de inercia

alrededor del eje polar

1.50 � 1011 m

I� � 0.329MER2E

I � 0.331 MER2E SOL

alrededor del eje ecuatorial Masa

3.9 � 1026 W

274 m�s2

� 3

6.96 � 108 m

MS � 1.99 � 1030 kg

� 26 días

1 410 kg m

Distancia media del Sol Radio

Periodo de órbita Densidad media

29.8 km/s

71 año � 365 días 6 h � 3.16 � 10 s Gravedad superficial

Rapidez orbital Periodo de rotación

Luminosidad

DISTANCIA MEDIA PERIODO DE RADIO GRAVEDAD PERIODO DE PLANETA DEL SOL REVOLUCIÓN MASA ECUATORIAL SUPERFICIAL ROTACIÓN

2 439 km 0.38g

Venus 108 0.615 6 052 0.91 243

150 1.00 6 378 1.00 0.997

228 1.88 3 393 0.38 1.026

778 11.9 71 398 2.53 0.41

29.5 60 000 1.07 0.43

84.0 25 400 0.92 0.65

165 24 300 1.19 0.77

248 1 500 0.045 6.391.5 � 1022

1.03 � 1026

8.70 � 1025

5.67 � 1026

1.90 � 1027

6.42 � 1023

5.98 � 1024

4.87 � 1024

3.30 � 1023 kg57.9 � 106 kmMercurio

Tierra

Marte

Júpiter

Saturno

Urano

Neptuno

Plutón

0.241 año 58.6 días

1 430

2 870

4 500

5 890

II

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Física para ingeniería y ciencias

Volumen 2



Física para ingeniería y ciencias Tercera edición

H a n s C . O H a n i a n U n i V e r s i T y O F V e r m O n T

J O H n T . m a r k e r TU n i V e r s i T y O F T e x a s a T a U s T i n

Volumen 2

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA LISBOA • MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO

AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO

revisión técnica

a n T O n i O G e n m O r a U n i V e r s i d a d i b e r O a m e r i C a n a ,

C i U d a d d e m é x i C O

m a r C e l a m . V i l l e G a s G a r r i d O i n s T i T U T O T e C n O l ó G i C O y d e e s T U d i O s

s U p e r i O r e s d e m O n T e r r e y ,

C a m p U s e s T a d O d e m é x i C O


Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo Alejandro del Bosque AlayónEditor sponsor: Pablo E. Roig VázquezCoordinadora editorial: Marcela I. Rocha MartínezEditora de desarrollo: Ana Laura Delgado RodríguezSupervisor de producción: Zeferino García GarcíaDiseño de portada: Óscar Fioratti

Traductores: Virgilio González y Pozo/Hugo Villagómez Velázquez

FíSiCa para ingEniEría y CiEnCiaS. VolumEn 2 Tercera edición

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

DERECHOS RESERVADOS © 2009 respecto a la primera edición en español porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A

Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón, C.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

iSBn 13: 978-970-10-6746-8iSBn 10: 970-10-6746-0

Traducido de la tercera edición de Physics for Engineers and Scientists. Copyright MMVII by W. W. Norton & Company, Inc. All rights reserved.

ISBN: 0-393-97422-7

1234567890 08765432109

Impreso en México Printed in Mexico


Contenido brevelos capítulos 1 a 21 aparecen en el volumen 1 y los capítulos 22 a 36 aparecen en el volumen 2.

preFaCiO xV

manUal del UsUariO de FÍSICA PARA INGENIERÍA Y CIENCIAS xxiV

prelUdiO: el mUndO de la FÍsiCa xxxi

parTe 4 eleCTriCidad y maGneTismO 69222. FUerZa eléCTriCa y CarGa eléCTriCa 694

23. el CampO eléCTriCO 721

24. la ley de GaUss 756

25. pOTenCial eleCTrOsTÁTiCO y enerGÍa 789

26. CapaCiTOres y dieléCTriCOs 828

27. COrrienTes eléCTriCas y la ley de OHm 858

28. CirCUiTOs de COrrienTe direCTa 887

29. FUerZa y CampO maGnéTiCO 926

30. CarGas y COrrienTes en CampOs maGnéTiCOs 964

31. indUCCión eleCTrOmaGnéTiCa 993

32. CirCUiTOs de COrrienTe alTerna 1030

parTe 5 Ondas y ópTiCa 106833. Ondas eleCTrOmaGnéTiCas 1070

34. reFlexión, reFraCCión y ópTiCa 1111

35. inTerFerenCia y diFraCCión 1168

parTe 6 relaTiVidad, CUanTUms y parTÍCUlas 121436. la TeOrÍa de la relaTiVidad espeCial 1216

apéndiCes a-1

ÍndiCe i-1



Contenidolos capítulos 1 a 21 aparecen en el volumen 1 y los capítulos 22 a 36 aparecen en el volumen 2.

preFaCiO xV

manUal del UsUariO de FÍsiCa para inGenierÍa y CienCias xxiV

prelUdiO: el mUndO de la FÍsiCa xxxi

parTe 4 eleCTriCidad y maGneTismO 692

22. FUerZa eléCTriCa y CarGa eléCTriCa 694

22.1 La fuerza electrostática 695 22.2 Ley de Coulomb 698 22.3 La superposición de fuerzas eléctricas 703 22.4 Cuantización y conservación de la carga 706 22.5 Conductores y aislantes; carga por fricción

o por inducción 708

resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 712

23. el CampO eléCTriCO 721

23.1 Campo eléctrico de cargas puntuales 722 23.2 Campo eléctrico de distribuciones continuas

de carga 729 23.3 Líneas de campo eléctrico 736 23.4 Movimiento en un campo eléctrico uniforme 740 23.5 Dipolo eléctrico en un campo eléctrico 742


24. la ley de GaUss 756

24.1 El flujo eléctrico 757 24.2 La ley de Gauss 762 24.3 Aplicaciones de la ley de Gauss 763 24.4 Superposición de campos eléctricos 772 24.5 Conductores y campos eléctricos 774


25. pOTenCial eleCTrOsTÁTiCO y enerGÍa 789

25.1 El potencial electrostático 790 25.2 Cálculo del potencial a partir del campo 798 25.3 Potencial en conductores 803 25.4 Cálculo del campo a partir del potencial 806 25.5 Energía de sistemas de cargas 811


26. CapaCiTOres y dieléCTriCOs 828

26.1 Capacitancia 829 26.2 Combinación de capacitores 834 26.3 Dieléctricos 838 26.4 Energía en capacitores 844


27. COrrienTes eléCTriCas y la ley de OHm 858

27.1 La corriente eléctrica 859 27.2 Resistencia y la ley de Ohm 863 27.3 Resistividad de los materiales 868 27.4 Combinaciones de resistencias 872


28. CirCUiTOs de COrrienTe direCTa 887

28.1 Fuerza electromotriz 888 28.2 Fuentes de fuerza electromotriz 890 28.3 Circuitos de una malla 893 28.4 Circuitos con varias mallas 897 28.5 Energía en circuitos; calor de Joule 901 28.6* Mediciones eléctricas 905 28.7* El circuito RC 907 28.8* Los riesgos de las corrientes eléctricas 913



xii CONTENIDO

29. FUerZa y CampO maGnéTiCO 926

29.1 La fuerza magnética 928 29.2 El campo magnético 931 29.3 La ley de Ampère 938 29.4 Solenoides y electroimanes 943 29.5 La ley de Biot-Savart 948


30. CarGas y COrrienTes en CampOs maGnéTiCOs 964

30.1 Movimiento circular en un campo magnético uniforme 965

30.2 Fuerza sobre un alambre 969 30.3 Torca sobre una espira 972 30.4 Magnetismo en materiales 976 30.5* El efecto Hall 980


31. indUCCión eleCTrOmaGnéTiCa 993

31.1 Fem de movimiento 994 31.2 Ley de Faraday 997 31.3 Algunos ejemplos; ley de Lenz 1001 31.4 Inductancia 1008 31.5 Energía magnética 1013 31.6* El circuito RL 1015


32. CirCUiTOs de COrrienTe alTerna 1030

32.1 Circuito resistor 1031 32.2 Circuito capacitor 1035 32.3 Circuito inductor 1038 32.4* Circuitos de oscilaciones libres LC y RLC 1041 32.5* Circuitos en serie con fem alterna 1046 32.6 El transformador 1053


parTe 5 Ondas y ópTiCa 1068

33. Ondas eleCTrOmaGnéTiCas 1070

33.1 Inducción de campos magnéticos; ecuaciones de Maxwell 1071

33.2* El pulso de la onda electromagnética 1075 33.3 Ondas planas; polarización 1079 33.4 Generación de ondas electromagnéticas 1088 33.5 Energía de una onda 1092 33.6* La ecuación de onda 1096


34. reFlexión, reFraCCión y ópTiCa 1111

34.1 Construcción de Huygens 1113 34.2 Reflexión 1114 34.3 Refracción 1117 34.4 Espejos esféricos 1128 34.5 Lentes delgadas 1135 34.6* Instrumentos ópticos 1144


35. inTerFerenCia y diFraCCión 1168

35.1 Películas delgadas 1169 35.2* El interferómetro de Michelson 1174 35.3 Interferencia desde dos ranuras 1177 35.4 Interferencia desde varias ranuras 1183 35.5 Difracción por una ranura simple 1190 35.6 Difracción por una abertura circular; criterio

de Rayleigh 1196


parTe 6 relaTiVidad, CUanTUms y parTÍCUlas 1214

36. la TeOrÍa de la relaTiVidad espeCial 1216

36.1 La velocidad de la luz: el éter 1218 36.2 Principio de la relatividad de Einstein 1220 36.3 Dilatación del tiempo 1224 36.4 Contracción de la longitud 1230 36.5 Las transformaciones de Lorentz y la

combinación de velocidades 1232 36.6 Cantidad de movimiento y energía

relativistas 1239 36.7* Masa y energía 1242



CONTENIDO xiii

apéndiCes a-1

apéndiCe 1: alFabeTO GrieGO a-1

apéndiCe 2: repasO de maTemÁTiCas a-1

a2.1 Símbolos A-1 a2.2 Potencias y raíces A-1 a2.3 Aritmética en notación científica A-2 a2.4 Álgebra A-3 a2.5 Ecuaciones con dos incógnitas A-5 a2.6 La fórmula cuadrática A-5 a2.7 Logaritmos y la función exponencial A-5

apéndiCe 3: repasO de GeOmeTrÍa y TriGOnOmeTrÍa a-7

a3.1 Perímetros, áreas y volúmenes A-7 a3.2 Ángulos A-7 a3.3 Las funciones trigonométricas A-8 a3.4 Identidades trigonométricas A-9 a3.5 Ley de los senos y ley de los cosenos A-10

apéndiCe 4: repasO de CÁlCUlO a-10

a4.1 Derivadas A-10 a4.2 Reglas importantes de diferenciación A-11 a4.3 Integrales A-12 a4.4 Reglas importantes para integración A-15

a4.5 La serie de Taylor A-18 a4.6 Algunas aproximaciones A-18

apéndiCe 5: prOpaGaCión de inCerTidUmbres a-19

apéndiCe 6: el sisTema inTernaCiOnal de Unidades a-21

a6.1 Unidades fundamentales o básicas A-21 a6.2 Unidades derivadas A-23 a6.3 Prefijos A-23

apéndiCe 7: ValOres COmpleTOs de COnsTanTes FUndamenTales a-23

apéndiCe 8: FaCTOres de COnVersión a-26

apéndiCe 9: la Tabla periódiCa y elemenTOs QUÍmiCOs a-31

apéndiCe 10: FOrmUlariOs a-33

apéndiCe 11: respUesTas de prOblemas impares y prOblemas de repasO a-34

CrédiTOs FOTOGrÁFiCOs a-48

ÍndiCe i-1



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