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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
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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
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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
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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
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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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 745
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 778
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 816
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 847
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 878
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 914
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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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 951
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 984
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 1018
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 1057
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 1099
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 1152
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 1199
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
resUmen / preGUnTas / prOblemas / prOblemas de repasO / respUesTas a las reVisiOnes 1244
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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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