Ohanian Fisica 3e Contenido Volumen 2

CONSTANTES FUNDAMENTALES (Véase el apéndice 7 para mayor información) Rapidez de la luz

c 

3.00



108 m � s

Constante de Planck

h 

6.63



10  34 J  s

U  h � 2p 

Constante gravitacional

G 

6.67

Constante de permeabilidad

m0 

m0 � 4p 

1.00



Constante de Coulomb

1 � 4p�0  8.99

Carga del electrón

e  1.60 

Masa del electrón

me 

9.11

Masa del protón

mp 

1.673



Radio de Bohr

4p�0 U- 2 � mee 2 

Longitud de onda de Compton

h � mec 

Constante de Boltzmann

k 



27

10

5.29





9.27



6.02

kg 

10  11 m

Aceleración normal 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 solar Índice de refracción del agua



R  N Ak  8.31 J/mol · K



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

pulgada angstrom año luz centímetro cúbico litro año libra unidad de masa atómica electrón-volt libra-fuerza atmósfera torr escala Celsius escala Fahrenheit radián

331 m/s (0C, 1 atm) 1 000 kg>m3 2.26106 J/kg  539 kcal/kg 3.34105 J/kg  79.7 kcal/kg 1 cal  4.187 J 1.4 kW >m2 1.33

1023 � mol

Constante universal de los gases

longitud longitud longitud volumen volumen tiempo masa masa energía fuerza presión presión temperatura temperatura ángulo

1.29 kg � m3 (0C, 1 atm)

1023 J � K

N A 

UNIDAD

28.98 g/mol

1024 J � T

Número de Avogadro

CANTIDAD

1 g  9.81 m � s2  32.2 pie � s 2

1012 m

2.43

e U

1.38

1019 C

1027 kg

mn 

2me

109 m � F

1031 kg



1.675



Masa del neutrón

mB 

107 H � m

8.85  1012 F � m

�

Magnetón de Bohr

1034 J  s

106 H � m



Constante de permitividad

0 



1011 N  m2 � kg2



1.26

1.05

CONSTANTES FÍSICAS DIVERSAS

SÍMBOLO

pulg Å — cm3, cc litro, L año lb u eV lb-f atm torr C F rad

CONVERSIÓN

1 pulg  2.540 cm 1 Å  108 cm  1010 m 1 año luz  9.461  1015 m 1 cm3  1 mL  103 L 1 L  103 cm 3  103 m3 1 año  365.25 d  3.56  10 7 s 1 lb  0.453 6 kg 1 u  1.661  10  27 kg 1 eV  1.602  1019 J 1 lb-f  4.448 N 1 atm  1.013  105 Pa 1 torr  1 atm>760 C  K  273.15 9 F  5 (C) � 32 1 rad  57.30

PREFIJOS PARA LAS UNIDADES FACTOR

PREFIJO

SÍMBOLO

1018

exa

E

1015

peta

P

12

tera

T

9

giga

G

6

mega

M

3

10

kilo

k

102 10

hecto deka

h da

10�1

deci

d

10�2

centi

c

10�3

mili

m

10�6

micro

10�9

nano

n

10�12

pico

p

10�15

femto

f

10�18

atto

a

10 10 10

m

DATOS DEL SISTEMA SOLAR

TIERRA

LUNA 1024 kg

Masa

7.35  1022 kg

Radio ecuatorial

R E  6.378  106 m

Radio

1.74  106 m

Radio polar

6 R E   6.357  10 m

Momento de inercia

3 340 kg � m3

5 520 kg � m 3

Gravedad superficial

1.62 m � s2

Periodo de rotación

27.3 días

M E  5.98

Masa

Densidad media



g  9.81 m � s2




32.2 pie � s 2

3.84  108 m

Periodo de rotación 1 día sideral



23 h 56 min 4 s



8.616

�

4

10 s

1 mes sideral

Momento de inercia 2

SO L

2

Masa

I  0.331 M E R E

alrededor del eje polar

I   0.329 M E R E

alrededor del eje ecuatorial

1.50 � 10

Distancia media del Sol

11

m

Periodo de órbita 1 año

Rapidez orbital



365 días 6 h



3.16

�

7

10 s

M S 

Mercurio

DISTANCIA MEDIA DEL SOL

57.9

�

106 km

PERIODO DE REVOLUCIÓN

Densidad media

1 410 kg � m3


274 m � s2

RADIO ECUATORIAL

MASA

0.241 año

3.30

�

1.99  1030 kg 6.96  108 m

�

1023 kg

26 días

3.9  1026 W

Luminosidad

PLANETA

27.3 días

Radio

Periodo de rotación

29.8 km/s



GRAVEDAD SUPERFICIAL

2 439 km

0.38 g

PERIODO DE ROTACIÓN

58.6 días

Venus

108

0.615

4.87 � 1024

6 052

0.91

Tierra

150

1.00

5.98 � 1024

6 378

1.00

0.997

Marte

228

1.88

6.42 � 1023

3 393

0.38

1.026

Júpiter

778

11.9

1.90 � 1027

71 398

2.53

0.41

Saturno

1 430

29.5

5.67 � 1026

60 000

1.07

0.43

Urano

2 870

84.0

8.70 � 1025

25 400

0.92

0.65

Neptuno

4 500

165

1.03 � 1026

24 300

1.19

0.77

Plutón

5 890

248

1.5 � 1022

1 500

0.045

6.39

243

Fíc  gí  cc Vou 2

Fíc  gí  cc Tc c Vou 2 Hans C. OHanian UniVersiTy OF VermOnT

J O H n T . m a r k e r T UniVersiTy OF Texas aT aUsTin

rv tcc a n T O n i O G e n m O r a UniVersidad iberOameriCana, CiUdad de méxiCO

marCela m. VilleGas GarridO insTiTUTO TeCnOlóGiCO y de esTUdiOs sUperiOres de mOnTerrey, CampUs esTadO de méxiCO

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

Dect Hhe Edct: Miguel Ángel Toledo Castellanos Dect edt: Ricardo Alejandro del Bosque Alayón Edt ss: Pablo E. Roig Vázquez Cdd edt: Marcela I. Rocha Martínez Edt de des: Ana Laura Delgado Rodríguez Sevs de dccó: Zeferino García García Dseñ de td: Óscar Fioratti Tdctes: Virgilio González y Pozo/Hugo Villagómez Velázquez FíSiCa para ingEniEría y CiEnCiaS. VolumEn 2 Tece edcó 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 por McGRAW-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: 978-970-10-6746-8 iSBn 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

Coto v lo cítuo 1  21 c   vou 1  o cítuo 22  36 c   vou 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. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.

FUerZa eléCTriCa y CarGa eléCTriCa 694 el CampO eléCTriCO 721 la ley de GaUss 756 pOTenCial eleCTrOsTÁTiCO y enerGÍa 789 CapaCiTOres y dieléCTriCOs 828 COrrienTes eléCTriCas y la ley de OHm 858 CirCUiTOs de COrrienTe direCTa 887 FUerZa y CampO maGnéTiCO 926 CarGas y COrrienTes en CampOs maGnéTiCOs 964 indUCCión eleCTrOmaGnéTiCa 993 CirCUiTOs de COrrienTe alTerna 1030

parTe 5 Ondas y ópTiCa 1068 33. Ondas eleCTrOmaGnéTiCas 1070 34. reFlexión, reFraCCión y ópTiCa 1111 35. inTerFerenCia y diFraCCión 1168

parTe 6 relaTiVidad, CUanTUms y parT ÍCUlas 1214 36. la TeOrÍa de la relaTiVidad espeCial 1216 apé nd iC es a- 1 ÍndiCe i-1

Coto lo cítuo 1  21 c   vou 1  o cítuo 22  36 c   vou 2. preFaCiO xV manUal del UsUariO de FÍsiCa para inGenierÍa y CienCias xxiV

25. pOTenCial eleCTrOsTÁTiCO y enerGÍa 789

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

parTe 4 eleCTriCidad y maGneTismO 692

25.1 25.2 25.3 25.4 25.5

22. FUerZa eléCTriCa y CarGa eléCTriCa 694

resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 816

prelUdiO: el mUndO de la FÍsiCa xxxi

22.1 22.2 22.3 22.4 22.5

La fuerza electrostática 695 Ley de Coulomb 698 La superposición de fuerzas eléctricas 703 Cuantización y conservación de la carga 706 Conductores y aislantes; carga por fricción o por inducción 708


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 resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 745

24. la ley de GaUss 756 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5

El flujo eléctrico 757 La ley de Gauss 762 Aplicaciones de la ley de Gauss 763 Superposición de campos eléctricos 772 Conductores y campos eléctricos 774


26. CapaCiTOres y dieléCTriCOs 828 26.1 26.2 26.3 26.4

Capacitancia 829 Combinación de capacitores 834 Dieléctricos 838 Energía en capacitores 844


27. COrrienTes eléCTriCas y la ley de OHm 858 27.1 27.2 27.3 27.4

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


28. CirCUiTOs de COrrienTe direCTa 887 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6* 28.7* 28.8*

Fuerza electromotriz 888 Fuentes de fuerza electromotriz 890 Circuitos de una malla 893 Circuitos con varias mallas 897 Energía en circuitos; calor de Joule 901 Mediciones eléctricas 905 El circuito RC 907 Los riesgos de las corrientes eléctricas 913


xii

CONTENIDO

29. FUerZa y CampO maGnéTiCO 926 29.1 29.2 29.3 29.4 29.5

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

33.2* 33.3 33.4 33.5 33.6*

El pulso de la onda electromagnética 1075 Ondas planas; polarización 1079 Generación de ondas electromagnéticas 1088 Energía de una onda 1092 La ecuación de onda 1096



34. reFlexión, reFraCCión y ópTiCa 1111 30. CarGas y COrrienTes en CampOs maGnéTiCOs 964 30.1 Movimiento circular en un campo magnético 30.2 30.3 30.4 30.5*

uniforme 965 Fuerza sobre un alambre 969 Torca sobre una espira 972 Magnetismo en materiales 976 El efecto Hall 980

34.1 34.2 34.3 34.4 34.5 34.6*

Construcción de Huygens 1113 Reflexión 1114 Refracción 1117 Espejos esféricos 1128 Lentes delgadas 1135 Instrumentos ópticos 1144



35. inTerFerenCia y diFraCCión 1168 31. indUCCión eleCTrOmaGnéTiCa 993 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6*

Fem de movimiento 994 Ley de Faraday 997 Algunos ejemplos; ley de Lenz 1001 Inductancia 1008 Energía magnética 1013 El circuito RL 1015


35.1 35.2* 35.3 35.4 35.5 35.6

Películas delgadas 1169 El interferómetro de Michelson 1174 Interferencia desde dos ranuras 1177 Interferencia desde varias ranuras 1183 Difracción por una ranura simple 1190 Difracción por una abertura circular; criterio de Rayleigh 1196


32. CirCUiTOs de COrrienTe alTerna 1030 32.1 32.2 32.3 32.4* 32.5* 32.6

Circuito resistor 1031 Circuito capacitor 1035 Circuito inductor 1038 Circuitos de oscilaciones libres LC y RLC 1041 Circuitos en serie con fem alterna 1046 El transformador 1053


parTe 5 Ondas y ópTiCa 1068 33. Ondas eleCTrOmaGnéTiCas 1070 33.1 Inducción de campos magnéticos; ecuaciones

de Maxwell 1071

parTe 6 relaTiVidad, CUanTUms y parT ÍCUlas 1214 36. la TeOrÍa de la relaTiVidad espeCial 1216

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


CONTENIDO

apéndiCe s a-1 ap én di Ce 1: al Fab eT O Gr ie GO a- 1

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

ap én di Ce 5: prO pa Ga Ci ón de in Ce rT id Um br es a- 19

ap én di Ce 2: re pas O de ma Te mÁ Ti Ca s a- 1 a2.1 a2.2 a2.3 a2.4 a2.5 a2.6 a2.7

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

ap én di Ce 3: re pas O de Ge Ome Tr Ía y Tr iG On Om eT rÍ a a- 7 a3.1 a3.2 a3.3 a3.4 a3.5

Perímetros, áreas y volúmenes A-7 Ángulos A-7 Las funciones trigonométricas A-8 Identidades trigonométricas A-9 Ley de los senos y ley de los cosenos A-10

ap én di Ce 4: re pas O de CÁ lC Ul O a- 10 a4.1 a4.2 a4.3 a4.4

Derivadas A-10 Reglas importantes de diferenciación A-11 Integrales A-12 Reglas importantes para integración A-15

xiii

ap én di Ce 6: el si sTe ma inT er na Ci On al de Unidades a-21 a6.1 Unidades fundamentales o básicas A-21 a6.2 Unidades derivadas A-23 a6.3 Prefijos A-23

ap én di Ce 7: Va lO res CO mp le TO s de CO ns Ta nT es FUndamenTales a-23 ap én di Ce 8: FaC TO re s de CO nV er si ón a- 26 ap én di Ce 9: la Ta bl a per ió di Ca y el em en TO s QUÍmiCOs a-31 ap én di Ce 10 : FO rm Ul ar iO s a- 33 ap én di Ce 11 : re sp Ue sTa s de prO bl em as im par es y prO bl em as de re pa sO a- 34 CrédiTOs FOTOGrÁFiCOs a-48 ÍndiCe i-1

Ohanian Fisica 3e Contenido Volumen 2

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