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4a Edición revisada

FÍSICA GENERAL

HÉCTOR PÉREZ MONTIEL

PRIMERA EDICIÓN EBOOK MÉXICO, 2014

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FÍSICA GENERAL

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Primera edición ebook: 2014

Física General

UNIDAD 1

Introducción al conocimiento de la Física

2

Definición de la Física....................... ............................................ ..................... 4 ı Historia de la Física Física ....................... ................................................ ......................... 5 ı División de la Física....................... ................................................ ......................... 6 ı Concepto de ciencia ...............................................7 ı Ciencias formales y ciencias factuales .................7 Ciencias as formale formaless ............ .......................... ........................... ..................... ........ 7 Ciencias as factuales es .............. ........................... .......................... ................... ...... 7 ı Juicios deductivos e inductivos ............................7 ı El método científico en la construcción de la ciencia .......................... .................................................... .................................. ........ 8 Característica Caracte rísticass del método científico científico .............. 8 Método científico experimental ......................9 ı Actividad experimental 1: Obtención de una ley física ............................10 ı Actividad experimental 2: Caída libre de los cuerpos ...............................11 ı Resumen ................................................................12 ı Autoevaluación ......................................................12 ı Coevaluación .........................................................13 ı Glosario ...................................................................13 ı

Estadística elemental en el análisis de mediciones ......................................................30 Actividad experimental 3: Medición de longitudes con el vernier y el palmer o tornillo micrométrico ..................32 ı Resumen ...............................................................34 ı Autoevaluación .....................................................35 ı Coevaluación ........................................................36 ı Glosario ..................................................................36 ı

  Contenido

Resumen ...............................................................60 ı Autoevaluación ......................................................61 ı Coevaluación ........................................................62 ı Glosario ..................................................................63 ı

UNIDAD 4

Cinemática

64

Importancia del estudio de la cinemática.......... ..........66 66 Concepto de partícula material en movimiento e interpretación de su trayectoria ..........................66 ı Sistemas de referencia ........................................66 Sistemas de coordenadas cartesianas o coordenadas rectangulares ....................... 67 Localización de una partícula en el espacio utilizando un vector de posición ................... 67 ı Distancia, desplazamiento, velocidad y rapidez ..........................................................68 Distancia y desplazamiento .........................68 Velocidad y rapidez ........................................68 ı Movimiento ento rectilíneo uniforme (MRU) ............... 70 ı Velocidad media ...................................................71 ı Velocidad instantánea ........................................73 ı Interpretación de gráficas de la magnitud de desplazamiento-tiempo y magnitud de la velocidad-tiempo........ velocidad-tiempo ................ ............ ....74 74 ı Aceleración y movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA)....................78 (MRUA)....................78 Aceleración .....................................................78 Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) .........................................79 Aceleración media .........................................79 Aceleración instantánea................................79 Gráficas de magnitud del desplazamiento-tiempo, magnitud de desplazamiento-tiempo ento-tiempo al cuadrado, magnitud de lavelocidad-tiempo y magnitud de la aceleración-tiempo, para el MRUA ..............79 Deducción de las ecuaciones utilizadas en el MRUA .....................................81 Caída libre de los cuerpos y tiro vertical ......86 Efectos ocasionados por la resistencia del aire sobre los cuerpos durante su caída ...........................................................87 ı Tiro parabólico ......................................................90 Tiro parabólico horizontal .............................90 Tiro parabólico oblicuo ...................................91 ı Movimiento circular ..............................................95 Ángulo .............................................................96 Radián .............................................................96 Vector de posición y desplazamiento angular .............................................................96 Periodo y frecuencia ......................................96 Velocidad angular .........................................97 ı ı

UNIDAD 3

 Vectores

38

Características de un vector ...............................40 ı Cómo establecer la escala de un vector............40 ı Vectores coplanares, no coplanares, deslizantes y libres ................................................41 ı Sistema de vectores colineales ...........................41 ı Sistema de vectores concurrentes o angulares  angulares  .............................................................41 ı Resultante y equilibrante de un sistema de vectores .................................42 ı Propiedades de los vectores ..............................42 Igualdad de dos vectores ..............................42 Adición .............................................................42 Unidades UNIDAD 2 Negativo de un vector....................................42  y 14 mediciones Ley conmutativa de la adición de vectores .....................................................42 ı Definiciones de magnitud, medir Propiedad de transmisibilidad y unidad de medida ...............................................16 del punto de aplicación .................................42 Magnitudd ............. Magnitu .......................... ........................... ........................... .................... ....... 16 Propiedad de los vectores libres ..................43 Medir .............. ........................... .......................... .......................... ........................... .............. 16 ı Suma de vectores ................................................43 Unidad de medida ................................. ............................................. ............ 16 ı Composición y descomposición rectangular ı Desarrollo histórico de las unidades de medida de vectores por métodos gráficos .....................45 y de los sistemas de unidades .............................16 Solución por el método gráfico y analíticos .....45 .45 Sistema Métrico Decimal ...............................17 Solución por el método analítico .................. 46 Sistema Cegesimal o CGS ............................18 ı Vectores unitarios ................................................49 Sistema MKS ..................................................18 ı Suma de dos vectores angulares Sistema Internacional de Unidades (SI) ......18 o concurrentes ......................................................50 ı Magnitudes fundamentales y derivadas........ derivadas ..............19 ......19 Método gráfico ...............................................50 ı Sistemas de Unidades Absolutos ......................19 Método analítico .............................................50 ı Sistemas de Unidades Técnicos ı Suma de más de dos vectores o Gravitacionales ...................................................21 concurrentes o angulares ...................................53 ı Transformación de unidades Método gráfico del polígono.........................53 polígono.........................53 de un sistema a otro .............................................22 ı Método del triángulo ...........................................55 ı Ecuaciones y análisis dimensionales.................26 ı Producto de un vector por un escalar................56 escalar................56 ı Medición de diferentes magnitudes con métodos directos e indirectos........ indirectos ................ ............. ..... 27 ı Producto escalar de dos vectores .....................57 ı Producto vectorial de dos vectores ...................57 ı Análisis de errores en la medición...................... 27 Causas de error en las mediciones .............28 ı Actividad experimental 4: Cuantificación del error Equilibrio de fuerzas colineales y de en las mediciones ..........................................28 fuerzas angulares o concurrentes........ concurrentes............... ....... 58 ı

Grupo Editorial Patria

III

Contenido

Física General

Velocidad angular media ..............................97 Movimiento circular uniforme (MCU) .........97 Interpretación de gráficas de la magnitud de desplazamiento angular-tiempo y magnitud de la velocidad angular-tiempo empo en el MCU 97 ı Movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) .............................................100 Velocidad angular instantánea ...................100 Aceleración angular media .........................100 Aceleración angular instantánea................100 Gráficas de la magnitud del desplazamiento ento angular-tiempo, magnitud de la velocidad angular-tiempo y magnitud del desplazamiento angular-tiempo al cuadrado, para el MCUA ................................................100 Ecuaciones utilizadas en el movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) ......................... ................................................... ................................ ...... 102 Velocidad lineal o tangencial ...................... 104 Aceleración lineal y radial.......................... .............................. 105 Aceleración radial o centripeta................... 105 ı Movimiento armónico simple (MAS) ................107 Elongación .....................................................107 Amplitud .........................................................107 Velocidad de oscilación ........................ .............................. ...... 108 Aceleración de una partícula oscilante ........................ .................................................. ................................ ...... 108 Gráficas sinusoidales del movimiento armónico simple simple ........................ ........................................... ................... 109 Conclusiones de las gráficas del MAS .........111 Péndulo simple ...............................................112 Análisis de los experimentos de Galileo Galilei y su relevancia en el trabajo científico .........113 ı Actividad experimental 5: 115 Distancia y desplazamiento ...................... .......................... ....115 ı Actividad experimental 6: Movimiento rectilíneo uniforme ....................116 ı Actividad experimental 7: Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado .............................117 ı Actividad experimental 8: La caída de los cuerpos ................................119 ı Actividad experimental 9: Tiro parabólico parabólico...................... .............................................. ........................ 120 ı Actividad experimental 10: Péndulo simple ...............................................121 ı Resumen ..............................................................123 ı Autoevaluación Autoevaluación   ....................................................127 ı Coevaluación .......................... .................................................... .............................. 130 ı Glosario Glosario..................................................................131 ..................................................................131 UNIDAD 5

Dinámica ı

IV

132

Las fuerzas y sus efectos ..................................134 Resultante y equilibrante .............................135

Clasificación de las fuerzas .........................135 Nuevas teorías acerca de las fuerzas fundamentales de la naturaleza ..................135 ı Leyes de la dinámica ..........................................136 Primera ley de Newton o ley de la inercia ..136 Segunda ley de Newton o ley de la proporcionalidad entre fuerzas y aceleraciones..............................................137 aceleraciones..............................................137 Tercera ley de Newton o ley de la acción y la reacción .............................139 ı Gravitación universal...........................................146 universal...........................................146 Primera ley de Kepler....................................146 Segunda ley de Kepler .................................146 Tercera ley de Kepler ....................................147 Isaac Newton y la ley de la gravitación universal .........................................................147 Relación entre la magnitud del peso de un cuerpo y la magnitud de la fuerza de gravedad ...................................................148 Campo gravitacional de los cuerpos y su intensidad....................... .............................................. ....................... 149 El cosmos...................... ................................................ ................................ ...... 149 Origen del Universo con base en la teoría del Big Bang o de la gran explosión....................... ..................................... .............. 150 Sistema Solar ........................ ............................................... ....................... 150 El Sol .......................... .................................................... .................................... .......... 150 La Luna, satélite natural de la Tierra ................151 El viaje del hombre a la Luna .......................152 Algunas consideraciones sobre los viajes interplanetarios .............................153 ı Estática .................................................................156 Relación de la estática con la dinámica .............................................156 Fuerzas coplanares y no coplanares. Principio de transmisibilidad de las fuerzas .................................................156 Sistema de fuerzas colineales .....................156 Sistema de fuerzas concurrentes o angulares ....................................................157 Fuerzas paralelas ..........................................157 Par de fuerzas ...............................................158 Momento de una fuerza o momento de torsión ..................................158 Centro de gravedad, centroide y centro de masa....................... .......................................... ................... 159 Condiciones de equilibrio brio...................... ............................ ...... 160 Estrategia para resolver problemas de equilibrio de los cuerpos y diagrama de cuerpo libre ..............................161 ı Fricción Fricción   .................................................................168 Ventajas y desventajas desventajas de la fricción ........ 169 ı Trabajo mecánico ................................................174 ı Energía........................ .................................................. ......................................... ............... 180 Tipos de energía energía........................ ........................................... ................... 180 Definición de energía.....................................181 Energía potencial gravitacional (EPG) ........181 Ley de la conservación de la energía y su degradación ...........................................185 Grupo Editorial Patria

Degradacción de la energía .........................187 Importancia de la energía, sus usos y sus consecuencias .......................................188 ı Potencia mecánica .............................................188 ı Impulso mecánico ....................... .............................................. ....................... 194 ı Cantidad de movimiento o momento lineal .... 194 ı Relación entre el impulso y la cantidad dad de movimiento ........................ ............................. ..... 194 ı Choque elástico y choque inelástico ............... 195 ı Ley de la conservación de la cantidad de movimiento ento o del momento lineal lineal ................. 195 Conservación de la cantidad de movimiento o del momento lineal en dos dimensiones dimensiones....................... ..................................... .............. 196 ı Ley de la conservación del momento angular  angular  ..............................................200 Momento de una fuerza .............................200 Desplazamiento angular, velocidad angular, velocidad lineal, aceleración angular y aceleración lineal .........................................202 Inercia rotacional o momento de inercia............. .......................... .......................... ........................... ...................203 .....203 Cantidad de movimiento angular y ley de la conservación conserva ción de la cantidad de movimiento angular o del momento angular............ ....................203 ........203 Energía cinetica rotacional ............................204 Giroscopio Giroscop io............. .......................... .......................... ........................... .................204 ...204 ı Máquinas simples y su eficiencia .......................207 Cuantificación de la ventaja mecánica ...... ......207 207 Palanca.............. ........................... .......................... .......................... .....................208 ........208 Plano inclin inclinado ado.............. ........................... .......................... .....................209 ........209 Ruedas y poleas..................... .................................. ..........................210 .............210 Poleas ............ .......................... ........................... .......................... .........................211 ............211 Polea fija ............. .......................... .......................... ........................... ..................... .......211 211 Polea móvil.................................. ............................................... .......................211 ..........211 Combinaciones comunes de las máquinas simples.......... simple s....................... ........................... ........................... ..........................212 .............212 Eficiencia de las máquinas simples ..............212 Eficiencia Eficien cia del plano inclinado ........................212 ........................212 Eficiencia de una polea fija y de una móvil ..213 Conceptoo de máquina mecánica ..................214 Concept ..................214 ı Actividad experimental 11: Segunda ley de Newton ...............................216 ı Actividad experimental 12: Equilibrio de fuerzas paralelas .....................218 ı Resumen .............................................................220 ı Autoevaluación Autoevaluación ...................................................224  ...................................................224 ı Coevaluación ......................................................226 ı Glosario ................................................................227 UNIDAD 6

ı

Materia  y sus propiedades

230

Estructura de la materia .....................................232 Ley de la conservación de la materia, teoría atómica de Dalton y leyes de las proporciones definidas y múltiples............232

Física General

Conceptos de cuerpo, sustancia, elemento y compuesto ........................ ................................233 ........233 Mendeleiev y la tabla periódica ..................234 Dimensiones moleculares y atómicas.......234 Masas moleculares, número de Avogadro y concepto de mol ................235 ı Estados de agregación ......................................236 Movimiento browniano y difusión ..............236 ı Propiedades generales o extensivas de la materia ........................................................237 Extensión ......................................................237 Masa ..............................................................238 Peso ...............................................................238 Inercia ............................................................238 Energía ..........................................................239 ı Propiedades características o intensivas de la materia .....................................239 Densidad o masa específica ......................239 Punto de fusión ............................................242 Punto de ebullición ......................................242 Coeficiente de solubilidad de una sustancia en otra .............................244 ı Actividad experimental 13: Propiedades características o intensivas de la materia ...........................245 ı Resumen .............................................................248 ı Autoevaluación ......................... .................................................. ......................... 250 ı Coevaluación ........................ .................................................. ............................. ... 250 ı Glosario .................................................................251 UNIDAD 7

Elasticidad

252

Esfuerzo y deformación, tensión y compresión unitarias .......................... .......................................254 .............254 Esfuerzo de tensión .....................................254 Esfuerzo de compresión .............................254 Esfuerzo de corte .........................................254 ı Ley de Hooke ......................................................255 ı Módulo de elasticidad ........................................255 ı Módulo de Young ...............................................256 Young ...............................................256 ı Límite elástico .....................................................256 ı Actividad experimental 14: ......................... .................................259 ........259 ı Resumen ...................... ................................................ ...................................... ............ 260 ı Autoevaluación ....................................................261 ı Coevaluación .......................................................261 ı Glosario .................................................................261 ı

UNIDAD 9

Hidrodinámica

Hidrostática

262

Características de los líquidos ..........................264 Viscosidad.....................................................264 Viscosidad .....................................................264 Tensión superficial...................... .......................................264 .................264 Cohesión .......................................................265

282

Aplicaciones de la hidrodinámica.....................284 Gasto, flujo y ecuación de continuidad............284 Gasto .............................................................284 Flujo ...............................................................285 Ecuación de continuidad.............................285 ı Teorema de Bernoulli ........................................285 ı Aplicaciones del teorema de Bernoulli ..............286 Teorema de Torricelli ...................................287 Tubo de Pitot ................................................288 Tubo de Venturi ............................................288 ı Movimiento de los cuerpos sólidos en los fluidos .......................................................289 ı Actividad experimental 16: Principio de Bernoulli ..................................294 ı Resumen .............................................................296 ı Autoevaluación ...................................................297 ı Coevaluación ......................................................297 ı Glosario ................................................................297 ı ı

UNIDAD 10

Ondas mecánicas ı

UNIDAD 8

ı

Adherencia ....................................................265 Capilaridad ....................................................265 ı Densidad y peso específico ...................... ..............................266 ........266 ı Presión .................................................................267 Presión hidrostática y paradoja hidrostática de Stevin ...............267 Presión atmosférica .....................................268 Barómetro de mercurio, experimento de Torricelli.......................... .............................269 ...269 Presión manométrica y presión absoluta ........................................269 ı Principio de Pascal .............................................270 Tonel de Pascal .............................................271 ı Principio de Arquímedes y flotación de los cuerpos .................................272 ı Actividad experimental 15: Principio de Pascal y Principio de Arquímedes ..........................277 ı Resumen .............................................................278 ı Autoevaluación ...................................................279 ı Coevaluación ........................ .................................................. ............................. ... 280 ı Glosario .................................................................281

298

Ondas longitudinales y transversales .............300 Ondas longitudinales .................................300 Ondas transversales ..................................300 Tren de ondas, frente de onda y rayo o vector de propagación .................... 301 Tren de ondas .............................................. 301 Frente de onda ............................................ ............................ ................ 301 Rayo o vector de propagación .................. ...... ............ 301 Grupo Editorial Patria

  Contenido

Ondas lineales, superficiales y tridimensionales ......................... .............................................. ..................... 301 Ondas lineales ......................... ............................................. .................... 301 Ondas superficiales ........................ .................................... ............ 301 Ondas tridimensionales ....................... ............................. ...... 302 ı Características de las ondas .......................... .............................. 302 Longitud de onda......................... ........................................ ............... 302 Frecuencia ....................... ................................................. .............................. 302 Periodo ........................ .................................................. ................................. ....... 302 Nodo ........................ .................................................. ..................................... ........... 302 Elongación ....................... ................................................. .............................. 302 Amplitud de onda......................... ........................................ ............... 302 Rapidez de propagación .......................... .............................. 303 ı Reflexión de las ondas .......................... ..................................... ........... 303 ı Principio de superposición superposición de las ondas........ 303 ı Interferencia de ondas ....................... ...................................... ............... 304 Interferencia constructiva ........................ ............................ 304 Interferencia destructiva .......................... .............................. 304 ı Ondas estacionarias .......................... ......................................... ............... 304 ı Refracción de ondas .......................... ......................................... ............... 305 ı Difracción de ondas...................... ondas .......................................... .................... 305 ı Ondas sonoras .......................... .................................................. ........................ 305 Rapidez de propagación del sonido......... 306 Fenómenos acústicos: reflexión, eco, resonancia y reverberación ....................... 306 Cualidades del sonido: intensidad, tono y timbre .................................................307 Efecto Doppler ......................... ............................................ ................... 308 ı Ondas sísmicas ......................... ................................................. ........................ 308 ı Ultrasonido ....................... ................................................. .................................. ........ 310 ı Actividad experimental 17: Ondas superficiales ......................................314 ı Resumen ..............................................................316 ı Autoevaluación ....................................................317 ı Coevaluación .......................................................318 ı Glosario .................................................................319 ı

UNIDAD 11

Termología

320

Diferencia entre calor y temperatura ...............322 Potencial térmico y energía calorífica .......323 ı Medida de la temperatura .................................323 ı Diferentes escalas termométricas: Celsius, Kelvin y Fahrenheit ..............................324 Transformación de temperaturas de una escala a otra ..........................................324 ı Dilatación de los cuerpos ..................................325 Dilatación lineal y su coeficiente de dilatación..................................................326 Coeficiente de dilatación lineal ..................326 Consideraciones prácticas sobre la dilatación ........................................327 Dilatación de área y coeficiente de dilatación de área .........................................327 Dilatación cúbica y su coeficiente de dilatación..................................................329 Dilatación irregular del agua ........................331 ı

V

Contenido

Física General

Formas de propagación del calor .....................331 Conducción....................................................331 Conducción ....................................................331 Convección ...................................................332 Radiación ......................................................332 ı Energía solar, su medida y transformación .....333 Intensidad de la radiación ra diación solar ..................333 Transformación de la energía solar ...........333 ı Unidades para medir el calor ...........................334 Caloría ...........................................................334 Kilocaloría......................................................334 BTU ................................................................334 ı Capacidad calorífica ..........................................334 ı Calor específico ..................................................335 ı Calor latente ........................................................337 Calor latente de fusión y calor latente de solidificación ...........................................337 Calor latente de vaporización y calor latente de condensación ...............338 ı Calor cedido y absorbido por los cuerpos .......339 Uso del calorímetro ......................................339 ı Los gases y sus leyes  leyes  ........................................342 Concepto de gas ideal .................................342 Teoría cinética de los gases ......................342 ... ...................342 Ley de Boyle ................................................343 Ley de Charles .............................................344 Ley de Gay-Lussac .....................................345 Ley general del estado gaseoso ...............346 Constante universal de los gases (R ) .......347 ı Termodinámica ..................................................348 Sistema termodinámico y paredes diatérmicas y adiabáticas ...........................348 Procesos termodinámicos adiabáticos y no adiabáticos ......................349 Equilibrio termodinámico ............................349 Punto triple de una sustancia ................... 350 Energía interna .......................................... . 350 Ley cero de la termodinámica termodinámica ................... 350 Equivalente mecánico del calor ................ 350 Trabajo termodinámico ...............................351 Primera ley de la termodinámica ...............352 Segunda ley de d e la termodinámica ..............354 Conclusiones de las leyes primera y segunda de la termodinámica .................354 Entropía y tercera tercera ley de la termodinámica termodinámica ..354 Eficiencia de las máquinas térmicas ....... ..356 El funcionamiento del refrigerador.............357 Impacto ecológico de las máquinas térmicas............................357 Fuentes de energía energía calorífica orífica ................... ..... .............. 359 Poder calorífico de algunos combustibles es ....360 Poder calorífico .............................................361 Degradación de la energía ..........................362 ı Actividad experimental 18: Calor cedido y absorbido por los cuerpos. Uso del calorímetro .........362 ı Resumen ............................................................363 ı Autoevaluación ..................................................368 ı Coevaluación ......................................................370 ı Glosario Glosario.................................................................371 .................................................................371 ı

VI

UNIDAD 12

Electricidad

372

Antecedentes históricos de la electricidad .....374 Carga eléctrica y la ley de la conservación de la carga ...........................................................376 ı Interacción en cargas de igual o diferente signo .................................................376 ı Formas de electrizar a los cuerpos .................378 Frotamiento ..................................................378 Contacto ........................................................378 Inducción.......................................................378 ı Electroscopio y jaula de Faraday .....................378 ı Materiales conductores y aislantes .................379 ı Unidades de carga eléctrica ........ ................ ................ ............ .... 380 ı Ley de Coulomb .......................... ................................................ ...................... 380 ı Campo eléctrico ................................................389 Intensidad del campo eléctrico eléctrico ................ ... ............. 390 ı Potencial eléctrico .......................... ............................................ .................. 395 Determinación del valor del potencial eléctrico en un punto de una carga ......... 396 Diferencia de potencial ...............................398 Campo eléctrico uniforme ...........................398 ı Corriente eléctrica .............................................404 Intensidad de la corriente eléctrica........... 405 ı Fuerza electromotriz ..........................................407 ı Conexió Conexiónn de pilas pilas en serie y en paralelo elo ............ ....... ....... 408 ı Resistencia eléctrica .........................................409 Naturaleza del conductor ...................... ........................... ..... 409 Longitud del conductor ............................. .................... ......... 409 Sección o área transversal ........................ 409 Temperatura .......................... ................................................ ...................... 409 Variación de la resistencia con la temperatura .........................................411 ı Ley de Ohm ..........................................................412 ı Circuitos eléctricos y conexión de resistencias en serie, en paralelo y mixtas .............................414 Conexión de resistencias en serie .............415 Conexión de resistencias en paralelo ........416 Conexión mixta de resistencias ..................417 Resistencia interna de una pila ...................417 ı Potencia eléctrica y efecto Joule .....................424 ı Efecto Joule ........................................................427 ı Leyes de Kirchhoff .............................................429 Primera ley de Kirchhoff ..............................429 Segunda ley de Kirchhoff .............................431 ı Capacitores o condensadores eléctricos..........434 Uso de los capacitadores............................436 capacitadores............................436 Conexión de capacitores en serie y en paralelo ..................................................436 ı Electroquímica y ley de Faraday de la electrólisis  electrólisis  ..................................................439 Ley de Faraday de la electrólisis ............... 440 ı Actividad experimental 19: ı ı

Grupo Editorial Patria

Carga eléctrica..............................................442 eléctrica..............................................442 ı Actividad experimental 20: Uso del multímetro .......................................443 ı Actividad experimental 21: Ley de Ohm ...................................................446 ı Resumen ............................................................448 ı Autoevaluación ....................................................451 ı Coevaluación ......................................................453 ı Glosario........................ .................................................. ....................................... ............. 454 UNIDAD 13

Magnetismo

456

Propiedades y características de los diferentes tipos de imanes.................... 458 Imanes permanentes y temporales ...........458 ı Campo magnético .......................... ............................................ .................. 459 ı Densidad de flujo magnético magnético ....................... ........................... .... 460 Permeabilidad magnética e intensidad de campo magnético.............461 magnético.............461 ı Magnetismo terrestre.........................................462 Declinación magnética ...............................463 Inclinación magnética .................................463 ı Teorías del magnetismo ...................................464 ı Reluctancia ........................ .................................................. ............................... ..... 465 ı Materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos ................... 465 ı Actividad experimental 22: Imanes y campo magnético....................... 466 ı Resumen .............................................................468 ı Autoevaluación ........................ .................................................. .......................... 469 ı Coevaluación ......................................................470 ı Glosario .................................................................471 ı

UNIDAD 14

Electromagnetismo 472

Desarrollo histórico del electromagnetismo ............................................474 ı Campo magnético producido por una corriente ...............................................475 Campo magnético producido por un conductor recto ...............................476 Campo magnético producido por una espira ..............................................476 Campo magnético producido por un solenoide o bobina ..........................477 ı Fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento dentro de campos magnéticos .....................................479 Fuerza sobre un conductor por el que circula una corriente ...................481 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos por los que circula una corriente .................481 ı

Física General

Inducción electromagnética y ley del electromagnetismo ...............................484 Ley de Lenz ..................................................485 Ley del electromagnetismo o ley de inducción de Faraday ....................485 ı Inductancia .........................................................488 Inductancia mutua .......................................489 ı Corriente alterna ...................... ................................................ .......................... 491 ı Circuitos de corriente alterna ............................492 Reactancia inductiva ..................................492 Reactancia capacitiva ................................493 Circuito RLC en serie e impedancia ..........493 Factor de potencia ...................... ...................................... ................ 494 ı Transformadores ................................................497 ı Bobina de inducción o carrete de Ruhmkorff ........................ .................................................. ............................. ... 499 ı Generador eléctrico ..........................................500 ı Motor eléctrico éctrico.......................... .................................................... .......................... 501 ı Síntesis de Maxwell del electromagnetismo electromagnetismo ......................... ...................................... ............. 501 ı Actividad experimental 23: Electromagnetismo.......................... Electromagnetismo ..................................... ........... 503 ı Resumen .......................... .................................................... ................................. ....... 505 ı Autoevaluación .................................................509 ı Coevaluación ....................... ................................................. .............................. .... 510 ı Glosario ..................................................................511 ı

UNIDAD 15

Electrónica

512

Masa y carga del electrón ..................................514 Emisión termoiónica ...........................................517 ı Semiconductores .......................... ............................................... ..................... 519 Semiconductores de tipos N y P ................521 ı Diodo de cristal ...................................................522 ı Transistor ............................................................523 ı Circuitos integrados y chips ..............................524 ı Resumen ............................................................526 ı Autoevaluación ..................................................528 ı Coevaluación .....................................................528 ı Glosario ................................................................529 ı ı

UNIDAD 16

Óptica ı ı

530

Comportamiento dual de la luz ........................532 Óptica geométrica ..............................................533

Propagación rectilínea de la luz .................533 Métodos de Röemer y Michelson para determinar la rapidez o magnitud de la velocidad de la luz .......................................533 Intensidad luminosa y flujo luminoso ........534 Iluminación y ley de la iluminación iluminación ............534 .... ........534 Leyes de la reflexión de la luz ................. ...536 Espejos esféricos .........................................537 Refracción de la luz uz.......................... ..................................... ........... 539 Las lentes y sus características ................. 540 Potencia de una lente ..................................543 El telescopio y el microscopio ................... 545 El ojo y la visión ........................................... 546 ı Óptica física.........................................................547 Interferencia y anillos de Newton ...............547 Difracción de la luz .......................................548 Polarización de la luz ...................................548 Naturaleza del color ......................... .................................... ........... 549 Descomposición o dispersión de la luz blanca ........................ ............................................ .................... 549 Colores primarios o fundamentales ..........550 Colores binarios y características de algunos colores ......................................550 Daltonismo ...................................................550 Propiedades electromagnéticas de la luz y espectro electromagnético ..........550 ı Actividad experimental 24: Espejos planos y cóncavos ........................552 ı Resumen .......................... .................................................... ................................. ....... 556 ı Autoevaluación .......................... .................................................. ........................ 559 ı Coevaluación ........................ .................................................. ............................. ... 560 ı Glosario .................................................................561 UNIDAD 17

Física moderna

562

Teoría especial especial de la relatividad vidad ..................... 564 ı Teoría general de la relatividad ....................... 565 ı Radiación, emisión y absorción....................... 566 Mecánica ondulatoria .......................... ................................. ....... 566 Espectros ópticos ........................ ....................................... ............... 566 Espectro óptico del hidrógeno ..................567 Radiación del cuerpo negro, ley de Kirchhoff Kirc hhoff y ley de Stefan-Boltzm Stefan-Boltzman an ............ . ........... 569 ı Átomo cuántico ..................................................570 Modelos atómicos de: Dalton, Thomson y Rutherford ................................570 ı

Grupo Editorial Patria

  Contenido

Teoría cuántica de Niels Bohr sobre la estructura del átomo .....................572 Modificaciones de Sommerfeld a la teoría cuántica de Bohr sobre la estructura del átomo ....................572 Números cuánticos y orbitales ..................572 Principio de indeterminación de Heisenberg .............................................574 ı Teoría cuántica de Planck .................................574 Constante de Planck ...................................575 Efecto fotoeléctrico y su explicación por Einstein de acuerdo con la teoría cuántica ..................................576 Efecto Compton ..........................................577 Rayos X .........................................................578 ı Partícula-onda (mecánica ondulatoria) ...........578 ı Partículas elementales, antipartículas y antimateria ........................................................579 ı Radiactividad .....................................................579 Isótopos y radioisótopos ........................... 580 Vida media de un elemento radiactivo ....... 580 Aplicaciones prácticas y peligros que presentan las radiaciones ....................581 Cámara de niebla de Wilson ......................582 Contador Geiger y de centelleo .................582 ı Rayo láser ...........................................................583 ı Fusión nuclear ...................................................584 Fusión en frío, ¿mito o realidad? ...............585 ı Fisión nuclear .....................................................585 ı Actividad experimental 25: Cámara de niebla ........................................587 ı Resumen ............................................................588 ı Autoevaluación ......................... ................................................. ........................ 593 ı Coevaluación ........................ .................................................. .............................. 594 ı Glosario.......................... .................................................... ..................................... ........... 595 Apéndice ı Nociones de matemáticas matemáticas ......................... ............................... ...... 598 ı Anexo 1. Tabla de equivalencias entre las unidades de medida de algunas magnitudes físicas ........................605 ı Anexo 2. Alfabeto griego ....................... .................................. ........... 606 ı Anexo 3. Algunas constantes físicas y sus valores...................... ................................................ ................................. ....... 606 ı Anexo 4. Tabla de funciones trigonométricas naturales .................................607 ı Respuestas de los ejercicios propuestos.......609 ı Índice alfabético ....................... ................................................ ......................... 619 ı

VII

Contenido

14 CONTENIDO

Desarrollo histórico del electromagnetismo  

Campomagnético producidoporunacorriente Fuerzas sobre cargas eléctricas enmovimiento dentro de campos magnéticos

 

Inducción electromagnética…

 

Inductancia Corriente alterna Circuitos de corriente alterna

 

Transformadores Bobinade inducción o carrete de Ruhmkorff  Generador eléctrico Motor eléctrico Síntesis de Maxwell del electromagnetismo

 

Actividadexperimental 23: Electromagnetismo

 

Resumen

 

Autoevaluación

 

Coevaluación

 

Física General

Entrada de unidad L

Cada unidad inicia con una introducción, cuya lectura orienta acerca de los contenidos que se abordarán, con el propósito de despertar el interés por estudiar los contenidos respectivos. Asimismo, señala los temas que se tratarán y el título de las actividades experimentales que se proponen para lograr un aprendizaje significativo de la Física. Recomendamos su lectura en el salón de clases.

apartedela Físicaencargadadeestudiaralconjuntodefenómenosqueresultandelasaccionesmutuasentrelascorrientes eléctricasy r icasy elmagnetismo,recibeel m o,recibeel nombrede electroma r omagnetissmo.Oerstedfueel primeroen descubrirqueuna corrienteeléce nteeléctricaproduce a su alrededorun campo magnéticode propiedadessimilaresa e sa lasdelcampocreadoporunimán.Por tanto,si o ,si un conductoreléctricoessometid r icoessometidoa laaccióndeuncampomagnético, actuarásobreél unafuerzaperpendicularalcampoya lacorriente.Faradaydescubriólas ó las corriente i enteseléctricas inducidasalrealizar experiment i mentosconunabobinay o sconunabobinay unimán.Además,demostróquese ó quese producencuandosemueve unconductoren sentidotransversal(perpendicular)a laslíneasdeflujodeun campomagnético,estefenóc o,estefenómenorecibeel nombredeinducciónelectromagnética.Actualmente, casitodalaenergíaeléctri a eléctricaconsumi c aconsumidaennuestro d aennuestroshogaresyenla industriaseobtiene graciasal fenómenodela inducciónelectromagnética,puesen élse fundanlasdinamos ylos alternadoresquetransformanla energíamecáni g íamecánicaen c aen eléctrica.Elefectomagné r ica.Elefectomagnéticodela corrienteeléctricayla inducciónelectromagnéticahanrevolucionado lacienciayhandadoorigenalelectroma r omagnetismo.Laaplica s mo.Laaplicaciónde susprincipiosyleyeshapermitidolaelectr t idolaelectrificac i ficacióndelmundoycon ella,elprogresoyunmejorniveldevidaparalahumanidad. Laprimeraplantageneradoradeenergíaeléctrica seconstruyóenE stadosUnidosenlaciudaddeNuevaYork,en1882,bajoladirección deTomás AlvaEdison. Lasantiguassólo seusaban localmente,pues producíancorrientecontinua o directa,cuya transmisióna grandes distanciasnoera rentable,yaque granpartede energíaseperdía en formadecalor enlos conductores. Enla actualidad,las plantaseléctricasproduc c asproductorasde corrienteale ntealternaprácticamentesatisfacenlas necesidadesde energíaentodo el mundo.Existen,entreotros,tres principalestipos:hidroeléctricas,termoeléctricasynucleoeléctricas.Éstas funcionanconbase engrandes generadoresdevoltaje alterno,tambiéndenominados,por lomismo, alternadoresqueproducenenergíaeléctrica,mismaque sedistribuye entrelosconsumidores pormediode redesdetransmisión.

Electromagnetismo

Losgeneradores o alternadores,generalmente,son accionadospor turbinas.Éstasgiranporla energíaqueles proporcionael aguaen movimiento,comoesel casodeunapresa,o porenergíadelvapora g íadelvapora presión.

Glosario

472

473

Física General

UNIDAD

vueltasdealambregrues a sdealambregrueso,enrolladasen unnúcleode hierro,así como comounabobinadesalidao unabobinadesalidao carretesecundario conmilesdevueltas a s(figura14.30) .Cuando secierra elinterrupto u ptordelcircuitoelnúcleodehierroseiman o elnúcleodehierroseimantay pasaungrannúmerodelíneasdeflujomagnéticotanto i cotanto porlabobinaprimariacomoporla secundaria.Elvibraa .Elvibrador,similaralde unacampanilladeuntimbre eléctrico,es atraídoporelnúcleodehierr d oporelnúcleodehierroy o y abreelcircuito.Alabrir ir elcircuito,elnúcleodehierrosedesima t o,elnúcleodehierrosedesimantaylaslíneas magnéticassalendela bobinasecundariayse induceen éstauna fem elevada.La intensidaddelcampo eléctrico obtenidaenelespacioseñaladoporlaletraA,haceproduciruna r una descargaqueseobservaporlapresenciade unachispa.Así,elvibradorabreycierraelcircuitoautomáticamente,produciéndosechispasen echispasen lasterminales desalidaA. Elcapacitor ocondensador eléctrico eléctricosirve sirve comoundepósitoalquefluyelacargasielcontactodel vibradorseabre. Conelloel capacitorimpideque salten chispasentrelastermina e lasterminalesdesalidayqueelmetalcon elcual estánhechasse funda.

U

n motor eléctrico es eléctrico es un aparato que transforma la energía eléctrica en energía mecánica (figura 14.32) . Un motor de corriente continua o directa está constituido por una bobina suspendida entre los polos de un imán. Al circular una corriente eléctrica en la bobina, ésta adquiere un campo magnético y actúa como un imán, por tanto, es desplazada en movimientos de rotación,

14 

Electromagnetismo

debido a la fuerza que hay entre los dos campos magnéticos. El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo costo de mantenimiento. En general, todo motor el éctrico consta de dos partes principales: el principales: el electroimán, llamado inductor o estator pues estator  pues suele ser fijo, y el circuito eléctrico, eléctrico, que puede girar alrededor de un eje yrecibe yrecibe el nombre de inducido o rotor.

figura 14.30 Bobina de induccióno carrete de Ruhmkorff.La corriente que proporciona la batería imanta elnúcleo de hierro,por lo cualéste atrae alvibrador y abre elcircuito intermitentemente.El flujo magnético variable que se produce, induceuna fem  elevada enelcarrete o bobina secundaria.

a toque transforma El generadoreléctrico esun aparatoque

laenergía mecánicaenenergía eléctrica.EstáconstituiEstáconstituidoporun inductorelaboradoa basede electroimaneso imanespermanentesqueproducenuncampomagnético imanespermanentes queproducenuncampomagnético y p o r u n inducido queconstadeun núcleodehierroal e odehierroal cualsele enrollaalambreconductorpreviamenteaislado. Cuandosele comunicaal comunicaalinducido inducidounmovimientode unmovimientode rotación,losalambresconductorescortanlaslíneas deflujo magnético,portanto,se induceenellas unafem alterna. Paraobtenerunacorrientecontinuao directadebeincorporarseun dispositivoconvenientellamado dispositivoconvenientellamadoconmutador conmutador (figura14.31). En la mayorparte de losgeneradores de la corriente continua elinductorque produce el campo magnético es fijo y elinducido móvil. En cambio, en losde corriente alterna permanece fijo elinducido y elinductorgira. Sin embargo, en cualquiergeneradoreléctrico elorigen de la fem inducida esporel movimiento existente entre el campo magnético creado porel inductory losalambres conductoresdelinducido, lo cualprovoca un flujo magnético variable.

figura 14.32 Ena)se observa unmotoreléctrico;en b)se muestra elcorte de unmotor.

Eldesarrollo del electromagnetismo fue impulsado por muchosinvestigadores, deloscualesuno de losmás importantesfue Michael Faraday  (1791-1867), pero correspondió a James Clerk Maxwell , establecerlasleyes del electromagnetismo en la forma en que las conocemos actualmente. Estasleyes, llamadasa menudoecuaciomenudoecuacionesde Maxwell, Maxwell, desempeñan en el electromagnetismo, elmismo papelque lasleyes de Newtondelmovimiento y de la gravitación desempeñan en la mecánica. Auncuando lasíntesisdeMaxwelldelelectromagnetismo descansafundamentalmenteenel trabajode sus predecesores,su es,su contribuciónpersonal escentraly vital.

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Grupo EditorialPatria

Maxwelldedujoque laluz esde naturalezaelectromagnética yquela magnituddesu velocidadpuedecalcularsea partirde experimentospuramenteeléctricosymagnéticos.Así,lacienciadela ópticase a se ligóíntimamente conlasdelaelectricidadyelmagnetismo.Esnotableel alcancedelasecuacionesde Maxwell,yaque incluyelos principiosfundamentalesdetodoslos alesdetodoslos dispositivoselectromagnéticosyópticosde grandesaplicacionestalescomo motores,ciclotrones,calculadoraselectrónicas,radio, ,radio, televisión,radar demicroonda, microscopios, telescopios, etcétera (figura14.33). Maxwell  fue uno de losgrandes sintetizadoresde la

física, ya que tomó los resultadosexperimentales de

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