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FÍSICA
para ciencias e ingeniería
SERWAY (cid:374)(cid:374) JEWETT
Física
N O V E N A
E D I C I Ó N
para ciencias e ingeniería
Volumen 2
Raymond A. Serway
Emeritus, James Madison University
John W. Jewett, Jr.
Emeritus, California State Polytechnic
University, Pomona
Con las contribuciones de Vahé Peroomian,
University of California en Los Angeles
Traducción
María del Carmen
Rodríguez Pedroza
Revisión técnica
Dr. Ernesto Filio López
Unidad Profesional en Ingeniería
y Tecnologías Aplicadas
Instituto Politécnico Nacional
© Ashley Cooper/Corbis
Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur
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Física para ciencias e ingeniería © D.R. 2015 por Cengage Learning Editores, S.A. de
Volumen 2 C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc.
Novena edición Corporativo Santa Fe
Raymond A. Serway/John W. Jewett, Jr. Av. Santa Fe núm. 505, piso 12
Col. Cruz Manca, Santa Fe
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Coordinador de Manufactura: Traducido del libro
Rafael Pérez González Physics for Scientists and Engineers, Volume 2,
9th Edition.
Editor: Raymond A. Serway; John Jewett, Jr.
Sergio R. Cervantes González Publicado en inglés por Brooks/Cole, una compañía
de Cengage Learning © 2014
Diseño de portada: ISBN: 978-1-133-95414-9
Roy Neuhaus
Datos para catalogación bibliográfica:
Imagen de portada: Serway, Raymond A.; John W. Jewett, Jr.
© Ashley Cooper/Corbis Física para ciencias e ingeniería,
Volumen 2
Composición tipográfica: Novena edición
Ediciones OVA ISBN: 978-607-519-201-7
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http://latinoamerica.cengage.com
Impreso en México
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D
edicamos este libro a nuestras
e l
esposas lizabeth y isa, y a
todos nuestros hijos y nietos, por
su amorosa comprensión cuando
pasamos tiempo escribiendo en lugar
de estar con ellos.
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Contenido breve
4
37
Óptica ondulatoria 1134
P A R T E 38 Patrones de difracción y polarización 1160
Electricidad y
6
magnetismo 689
P A R T E
Física moderna 1191
23
Campos eléctricos 690
24
Ley de Gauss 725 39
25 Relatividad 1192
Potencial eléctrico 746 40
26 Introducción a la física cuántica 1233
Capacitancia y materiales dieléctricos 777 41
27 Mecánica cuántica 1267
Corriente y resistencia 808 42
28 Física atómica 1296
Circuitos de corriente directa 833 43
29 Moléculas y sólidos 1340
Campos magnéticos 868 44
30 Estructura nuclear 1380
Fuentes del campo magnético 904 45
31 Aplicaciones de la física nuclear 1418
Ley de Faraday 935 46
32 Física de partículas y cosmología 1447
Inductancia 970
33
Circuitos de corriente alterna 998
34
Ondas electromagnéticas 1030
5
P A R T E
Luz y óptica 1057
35
Naturaleza de la luz y leyes de óptica
geométrica 1058
36
Formación de las imágenes 1090
iv
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Contenido
Acerca de los autores viii 25.7 Experimento de la gota de aceite de Millikan 764
Prefacio ix 25.8 Aplicaciones de la electrostática 765
Al estudiante xxv 26 Capacitancia y materiales dieléctricos 777
26.1 Definición de capacitancia 777
4
26.2 Cálculo de la capacitancia 779
26.3 Combinaciones de capacitores 782
P A R T E
26.4 Energía almacenada en un capacitor con carga 786
Electricidad y 26.5 Capacitores con material dieléctrico 790
26.6 Dipolo eléctrico en un campo eléctrico 793
magnetismo 689 26.7 Descripción atómica de los materiales dieléctricos 795
27
Corriente y resistencia 808
23 Campos eléctricos 690 27.1 Corriente eléctrica 808
27.2 Resistencia 811
23.1 Propiedades de las cargas eléctricas 690
27.3 Modelo de conducción eléctrica 816
23.2 Objetos cargados mediante inducción 692
27.4 Resistencia y temperatura 819
23.3 Ley de Coulomb 694
27.5 Superconductores 819
23.4 Análisis de modelo: partícula en un
27.6 Potencia eléctrica 820
campo (eléctrico) 699
28
Circuitos de corriente directa 833
23.5 Campo eléctrico de una distribución
de carga continua 704 28.1 Fuerza electromotriz 833
23.6 Líneas de campo eléctrico 708 28.2 Resistores en serie y en paralelo 836
23.7 Movimiento de partículas cargadas en 28.3 Leyes de Kirchhoff 843
un campo eléctrico uniforme 710 28.4 Circuitos RC 846
28.5 Cableado doméstico y seguridad eléctrica 852
24 Ley de Gauss 725 29
Campos magnéticos 868
24.1 Flujo eléctrico 725
29.1 Análisis de modelo: partícula en un campo (magnético) 869
24.2 Ley de Gauss 728
29.2 Movimiento de una partícula cargada en un campo
24.3 Aplicación de la ley de Gauss a varias
magnético uniforme 874
distribuciones de carga 731
29.3 Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas
24.4 Conductores en equilibrio electrostático 735
en un campo magnético 879
29.4 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que
25 Potencial eléctrico 746
transporta corriente 882
25.1 Diferencia de potencial y potencial eléctrico 746
29.5 Momento de torsión sobre una espira de corriente en un
25.2 Diferencia de potencial en un campo
campo magnético uniforme 885
eléctrico uniforme 748
29.6 El efecto Hall 890
25.3 Potencial eléctrico y energía potencial debidos
30
a cargas puntuales 752 Fuentes del campo magnético 904
25.4 Obtención del valor del campo eléctrico 30.1 Ley de Biot-Savart 904
a partir del potencial eléctrico 755 30.2 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 909
25.5 Potencial eléctrico debido a distribuciones 30.3 Ley de Ampère 911
de carga continuas 756 30.4 Campo magnético de un solenoide 915
25.6 Potencial eléctrico debido a un 30.5 Ley de Gauss en el magnetismo 916
conductor con carga 761 30.6 Magnetismo en la materia 919
v
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vi
Contenido
31 36
Ley de Faraday 935 Formación de las imágenes 1090
31.1 Ley de inducción de Faraday 935 36.1 Imágenes formadas por espejos planos 1090
31.2 Fem de movimiento 939 36.2 Imágenes formadas por espejos esféricos 1093
31.3 Ley de Lenz 944 36.3 Imágenes formadas por refracción 1100
31.4 Fem inducida y campos eléctricos 947 36.4 Imágenes formadas por lentes delgadas 1104
31.5 Generadores y motores 949 36.5 Aberraciones de las lentes 1112
31.6 Corrientes de Eddy 953 36.6 La cámara fotográfica 1113
32 36.7 El ojo 1115
Inductancia 970
36.8 La lupa simple 1118
32.1 Autoinducción e inductancia 970
36.9 El microscopio compuesto 1119
32.2 Circuitos RL 972
36.10 El telescopio 1120
32.3 Energía en un campo magnético 976
37
Óptica ondulatoria 1134
32.4 Inductancia mutua 978
32.5 Oscilaciones en un circuito LC 980 37.1 Experimento de doble rendija de Young 1134
32.6 Circuito RLC 984 37.2 Análisis de modelo: ondas en interferencia 1137
33 37.3 Distribución de intensidad del patrón de interferencia
Circuitos de corriente alterna 998
de doble rendija 1140
33.1 Fuentes de CA 998
37.4 Cambio de fase debido a reflexión 1143
33.2 Resistores en un circuito de CA 999
37.5 Interferencia en películas delgadas 1144
33.3 Inductores en un circuito de CA 1002
37.6 El interferómetro de Michelson 1147
33.4 Capacitores en un circuito de CA 1004
38
33.5 Circuito RLC en serie 1007 Patrones de difracción y polarización 1160
33.6 Potencia en un circuito de CA 1011 38.1 Introducción a los patrones de difracción 1160
33.7 Resonancia en un circuito RLC en serie 1013 38.2 Patrones de difracción provenientes de rendijas
33.8 El transformador y la transmisión de energía 1015 angostas 1161
33.9 Rectificadores y filtros 1018 38.3 Resolución de una sola rendija y aberturas circulares 1166
34 38.4 Rejilla de difracción 1169
Ondas electromagnéticas 1030
38.5 Difracción de los rayos X mediante cristales 1174
34.1 Corriente de desplazamiento y la forma general
38.6 Polarización de las ondas luminosas 1175
de la ley de Ampère 1031
34.2 Ecuaciones de Maxwell y los descubrimientos 6
de Hertz 1033
34.3 Ondas electromagnéticas planas 1035 P A R T E
34.4 Energía transportada por ondas electromagnéticas 1039
Física moderna 1191
34.5 Cantidad de movimiento y presión de radiación 1042
34.6 P roducción de ondas electromagnéticas por
una antena 1044 39
Relatividad 1192
34.7 El espectro de las ondas electromagnéticas 1045
39.1 Principio de la relatividad galileano 1193
5 39.2 Experimento de Michelson–Morley 1196
39.3 Principio de la relatividad de Einstein 1198
P A R T E 39.4 Consecuencias de la teoría especial de la relatividad 1199
Luz y óptica 1057 39.5 Ecuaciones de transformación de Lorentz 1210
39.6 Ecuaciones de transformación de velocidad de Lorentz 1212
39.7 Cantidad de movimiento lineal relativista 1214
35 39.8 Energía relativista 1216
Naturaleza de la luz y leyes de óptica
39.9 Teoría general de la relatividad 1220
geométrica 1058
40
Introducción a la física cuántica 1233
35.1 Naturaleza de la luz 1058
35.2 Mediciones de la rapidez de la luz 1059 40.1 Radiación de cuerpo negro e hipótesis de Planck 1234
35.3 Aproximación de un rayo en óptica geométrica 1061 40.2 Efecto fotoeléctrico 1240
35.4 Análisis de modelo: la onda bajo reflexión 1061 40.3 Efecto Compton 1246
35.5 Análisis de modelo: la onda bajo refracción 1065 40.4 Naturaleza de las ondas electromagnéticas 1249
35.6 Principio de Huygens 1071 40.5 Propiedades ondulatorias de las partículas 1249
35.7 Dispersión 1072 40.6 Un nuevo modelo: la partícula cuántica 1252
35.8 Reflexión interna total 1074 40.7 Revisión del experimento de doble rejilla 1255
40.8 El principio de incertidumbre 1256
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vii
Contenido
41 46
Mecánica cuántica 1267 Física de partículas y cosmología 1447
41.1 La función de onda 1267 46.1 Fuerzas fundamentales en la naturaleza 1448
41.2 Análisis de modelo: la partícula cuántica 46.2 Positrones y otras antipartículas 1449
bajo condiciones frontera 1271 46.3 Mesones y el principio de la física de partículas 1451
41.3 La ecuación de Schrödinger 1277 46.4 Clasificación de las partículas 1454
41.4 Una partícula en un pozo de altura finita 1279 46.5 Leyes de conservación 1455
41.5 Efecto túnel a través de una barrera de energía 46.6 Partículas extrañas y extrañeza 1459
potencial 1281 46.7 Determinación de patrones en las partículas 1460
41.6 Aplicaciones del efecto túnel 1282 46.8 Quarks 1462
41.7 El oscilador armónico simple 1286 46.9 Quarks multicolor 1465
46.10 El modelo estándar 1467
42
Física atómica 1296 46.11 La conexión cósmica 1469
42.1 Espectros atómicos de los gases 1297 46.12 Problemas y perspectivas 1474
42.2 Los primeros modelos del átomo 1299
Apéndices
42.3 Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno 1300
42.4 Modelo cuántico del átomo de hidrógeno 1306
42.5 Las funciones de onda para el hidrógeno 1308
A
42.6 Interpretación física de los números cuánticos 1311 Tablas A-1
42.7 El principio de exclusión y la tabla periódica 1318 A.1 Factores de conversión A-1
42.8 Más sobre los espectros atómicos: el visible y el rayo X 1322 A.2 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-2
42.9 Transiciones espontáneas y estimuladas 1325 B
Repaso matemático A-4
42.10 Láseres 1326
B.1 Notación científica A-4
43
Moléculas y sólidos 1340 B.2 Álgebra A-5
B.3 Geometría A-10
43.1 Enlaces moleculares 1341
B.4 Trigonometría A-11
43.2 Estados de energía y espectros de moléculas 1344
B.5 Desarrollo de series A-13
43.3 Enlaces en sólidos 1352
B.6 Cálculo diferencial A-13
43.4 Teoría de electrones libres en metales 1355
B.7 Cálculo integral A-16
43.5 Teoría de banda en sólidos 1359
B.8 Propagación de incertidumbre A-20
43.6 Conducción eléctrica en metales, aislantes y
C
semiconductores 1361 Tabla periódica de los elementos A-22
43.7 Dispositivos semiconductores 1364
D
Unidades del SI A-24
43.8 Superconductividad 1370
D.1 Unidades del SI A-24
44
Estructura nuclear 1380 D.2 Algunas unidades del SI deducibles A-24
44.1 Algunas propiedades de los núcleos 1381 Respuestas a exámenes rápidos y problemas
44.2 Energía de enlace nuclear 1386
con numeración impar A-25
44.3 Modelos nucleares 1387
44.4 Radiactividad 1390 Índice I-1
44.5 Los procesos de decaimiento 1394
44.6 Radiactividad natural 1404
44.7 Reacciones nucleares 1405
44.8 Resonancia magnética nuclear y formación
de imágenes por resonancia magnética 1406
45
Aplicaciones de la física nuclear 1418
45.1 Interacciones donde intervienen neutrones 1418
45.2 Fisión nuclear 1419
45.3 Reactores nucleares 1421
45.4 Fusión nuclear 1425
45.5 Daño por radiación 1432
45.6 Usos de la radiación 1434
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Acerca de los autores
Raymond A. Serway recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology
y es profesor emérito en la James Madison University. En 2011 fue galardonado con
un doctorado honorario por parte de su alma mater, Utica College. En 1990 recibió
el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseñó durante 17
años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde
dirigió investigaciones y enseñó de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished
Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica
College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich,
Suiza, trabajó con K. Alex Müller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway
también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboró
con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además, el doctor Serway es coautor de College
Physics, novena edición; Principles of Physics, quinta edición; Essentials of College Physics y
Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics,
publicado por Holt, Rinehart y Winston. Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en
el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 60 conferencias en reuniones profesionales. El doctor
Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, pescar, acampar cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de
calidad con sus cuatro hijos y diez nietos, y recientemente, otro grandioso nieto.
John W. Jewett, Jr. obtuvo su licenciatura en Física en la Drexel University y su
doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y
magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica
en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseñó de 1974 a 1984. En la
actualidad es profesor emérito de física en la California State Polytechnic University,
en Pomona. A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo promo-
tor de la educación en ciencias físicas. Además de recibir cuatro becas National Science
Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern Physics Ins-
titute (SCAMPI) y el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and Creative
Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar currícula efectiva en
ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en el Richard
Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California State Poly-
thecnic University de 1991-1992 y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Association of
Physics Teachers (AAPT) en 1998. Ha impartido más de 100 conferencias en reuniones profesionales, incluidas conferen-
cias en la AAPT. También ha publicado 25 artículos sobre física de la materia condensada e investigaciones en la enseñanza
de la física. Además es autor de The World of Physics: Mysteries, Magic and Myth, el cual proporciona un gran número de
conexiones entre la física y las experiencias cotidianas. Aparte de su trabajo en este libro, es coautor de Principles of Physics,
quinta edición, así como de Global Issues, un conjunto de cuatro manuales de ciencia integral para educación secundaria.
Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar, la fotografía submarina, las lenguas extranjeras y colec-
cionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más importante, le gusta
pasar el tiempo con su esposa, Lisa, sus hijos y nietos.
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Prefacio
Al escribir esta novena edición de Física para ciencias e ingeniería, continuamos con
nuestros esfuerzos por mejorar la claridad de la presentación e incluir nuevas carac-
terísticas pedagógicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y enseñanza.
Al retroalimentar las sugerencias de los usuarios de la octava edición, información
obtenida de los alumnos y profesores que utilizan los suplementos digitales, así como
de los revisores, hemos clarificado el texto para satisfacer mejor las necesidades de
los estudiantes y profesores.
Este libro está pensado para un curso introductorio de física para estudiantes que
se especializan en ciencia o ingeniería. Todo el contenido del libro en su versión
amplia podría cubrirse en un curso de tres semestres, pero es posible usar el mate-
rial en secuencias más breves con la omisión de capítulos y subtemas seleccionados.
Los antecedentes matemáticos ideales de los estudiantes que tomen este curso deben
incluir un semestre de cálculo. Si esto no es posible, el estudiante debe inscribirse en
un curso simultáneo de introducción al cálculo.
Contenido
El material en este libro cubre temas fundamentales de física clásica y proporciona
una introducción a la física moderna. El libro se divide en seis partes. La Parte 1 (capí-
tulos 1 a 14) se relaciona con los fundamentos de la mecánica newtoniana y la física de
fluidos; la Parte 2 (capítulos 15 a 18) cubre oscilaciones, ondas mecánicas y sonido; la
Parte 3 (capítulos 19 a 22) aborda el calor y la termodinámica. La Parte 4 (capítulos
23 a 34) trata la electricidad y el magnetismo; la Parte 5 (capítulos 35 a 38) cubre luz y
óptica; la Parte 6 (capítulos 39 a 46) aborda la relatividad y la física moderna.
Objetivos
Este libro de introducción a la física tiene tres objetivos principales: proporcionar
al estudiante una presentación clara y lógica de los conceptos básicos y principios
de la física, fortalecer la comprensión de los conceptos y principios a través de un
amplio rango de interesantes aplicaciones al mundo real y desarrollar habilidades
para resolver problemas por medio de un enfoque efectivamente organizado. Para
alcanzar estos objetivos hemos enfatizado en argumentos físicos sólidos y en una
metodología para resolver problemas. Al mismo tiempo hemos intentado motivar al
estudiante mediante ejemplos prácticos que demuestren el papel de la física en otras
disciplinas, incluidas ingeniería, química y medicina.
Cambios en la Novena edición
Para preparar la novena edición de este texto se hicieron muchos cambios y mejo-
ras. Algunas de las nuevas características se basan en nuestras experiencias y en las
tendencias actuales en educación en ciencia. Otros cambios se incorporaron en res-
puesta a comentarios y sugerencias ofrecidos por los usuarios de la octava edición y
por revisores del manuscrito. Las características que se mencionan aquí representan
los principales cambios en la novena edición. ix
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