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Física Universitaria Volumen 2

Problemas De Desafío

Física Universitaria Volumen 2Problemas De Desafío
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Problemas De Desafío

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Algunos destellos de cámara utilizan tubos de flash que requieren un alto voltaje. Obtienen un alto voltaje cargando condensadores en paralelo y luego cambiando internamente las conexiones de los condensadores para colocarlos en serie. Considere un circuito que utiliza cuatro baterías AAA conectadas en serie para cargar seis condensadores de 10 mF a través de una resistencia equivalente de 100Ω100Ω. Las conexiones se conmutan internamente para colocar los condensadores en serie. Los condensadores se descargan a través de una lámpara con una resistencia de 100Ω100Ω. (a) ¿Cuál es la constante de tiempo RC y la corriente inicial de las baterías mientras están conectadas en paralelo? (b) ¿Cuánto tiempo tardan los condensadores en cargarse hasta el 90%90% del voltaje del terminal de las baterías? (c) ¿Cuál es la constante de tiempo RC y la corriente inicial de los condensadores conectados en serie suponiendo que se descarga al 90%90% de carga completa? (d) ¿Cuánto tiempo tarda la corriente en disminuir hasta el 10%10% del valor inicial?

89 .

Considere el circuito que se muestra a continuación. Cada batería tiene una emf de 1,50 V y una resistencia interna de 1,00Ω.1,00Ω. (a) ¿Cuál es la corriente que pasa por el resistor externo, que tiene una resistencia de 10,00 ohmios? (b) ¿Cuál es el voltaje del terminal de cada batería?

El circuito muestra tres ramas paralelas. La primera y la segunda ramas tienen dos fuentes de voltaje ε con terminales positivos hacia arriba y resistencias internas r. La tercera rama tiene un resistor R.
90 .

Los medidores analógicos utilizan un galvanómetro, que consiste esencialmente en una bobina de cable con una pequeña resistencia y un puntero con una escala adjunta. Cuando la corriente pasa por la bobina, la aguja gira; la cantidad que gira la aguja es proporcional a la cantidad de corriente que pasa por la bobina. Los galvanómetros pueden utilizarse para hacer un amperímetro si se coloca un resistor en paralelo con el galvanómetro. Considere un galvanómetro que tiene una resistencia de 25,00Ω25,00Ω y da una lectura de escala completa cuando una corriente de 50-μA50-μA pasa a través de ella. El galvanómetro se utilizará para hacer un amperímetro que tenga una lectura de escala completa de 10,00 A, como se muestra a continuación. Recuerde que un amperímetro está conectado en serie con el circuito de interés, por lo que los 10 A deben pasar por el medidor. (a) ¿Cuál es la corriente que pasa por el resistor en paralelo del medidor? (b) ¿Cuál es el voltaje a través del resistor en paralelo? (c) ¿Cuál es la resistencia del resistor en serie?

La figura muestra un amperímetro con la resistencia R subíndice M conectada a través del resistor R subíndice P con una corriente de 10 A.
91 .

Los medidores analógicos utilizan un galvanómetro, que consiste esencialmente en una bobina de cable con una pequeña resistencia y un puntero con una escala adjunta. Cuando la corriente pasa por la bobina, la punta gira; la cantidad de vueltas que da es proporcional a la cantidad de corriente que pasa por la bobina. Los galvanómetros pueden utilizarse para hacer un voltímetro si se coloca un resistor en serie con el galvanómetro. Considere un galvanómetro que tiene una resistencia de 25,00Ω25,00Ω y da una lectura de escala completa cuando una corriente de 50-μA50-μA pasa a través de ella. El galvanómetro se utilizará para hacer un voltímetro que tiene una lectura de escala completa de 10,00 V, como se muestra a continuación. Recuerde que un voltímetro se conecta en paralelo con la componente de interés, por lo que el medidor debe tener una resistencia alta o cambiará la corriente que pasa por la componente. (a) ¿Cuál es la caída de potencial a través del resistor en serie del medidor? (b) ¿Cuál es la resistencia del resistor en paralelo?

La figura muestra un resistor R subíndice S conectado en serie con un voltímetro con resistencia R subíndice M. La diferencia de voltaje a través de los extremos es de 10 V.
92 .

Considere el circuito que se muestra a continuación. Calcule I1,V1,I2,yV3.I1,V1,I2,yV3.

El circuito muestra el terminal positivo de la fuente de voltaje V de 12 V conectado a un amperímetro conectado al resistor R subíndice 1 de 1 Ω con el voltímetro a través de él conectado a dos ramas paralelas. La primera rama tiene un amperímetro conectado al resistor R subíndice 2 de 6 Ω y la segunda rama tiene R subíndice 3 de 13 Ω y voltímetro a través de ella.
93 .

Considere el siguiente circuito. (a) ¿Cuál es la constante de tiempo RC del circuito? (b) ¿Cuál es la corriente inicial en el circuito una vez que se cierra el interruptor? (c) ¿Cuánto tiempo pasa entre el instante en que se cierra el interruptor y el momento en que la corriente ha alcanzado la mitad de la corriente inicial?

El circuito muestra el terminal positivo de la fuente de voltaje V subíndice 1 de 24 V conectado al terminal negativo de la fuente de voltaje V subíndice 2 de 24 V. El terminal positivo de V subíndice 2 está conectado a un interruptor abierto. El otro extremo del interruptor se conecta al condensador C subíndice 1 de 100 mF que se conecta a dos ramas en paralelo, una con el resistor R subíndice 2 de 10 kΩ y otra con R subíndice 1 de 10 kΩ y R subíndice 3 de 30 kΩ. Las dos ramas se conectan a la fuente V subíndice 1 a través del resistor R subíndice 4 de 30 kΩ.
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Considere el siguiente circuito. (a) ¿Cuál es la corriente inicial a través del resistor R2R2 cuando el interruptor está cerrado? (b) ¿Cuál es la corriente que atraviesa el resistor R2R2 cuando el condensador está completamente cargado, mucho después de que el interruptor esté cerrado? (c) ¿Qué sucede si el interruptor se abre después de haber estado cerrado durante algún tiempo? (d) Si el interruptor ha estado cerrado durante un tiempo suficiente para que el condensador se cargue completamente, y luego se abre el interruptor, ¿cuánto tiempo pasará antes de que la corriente a través del resistor R1R1 alcance la mitad de su valor inicial?

El terminal positivo de la fuente de voltaje V subíndice 1 de 24 V está conectado a un interruptor abierto. El otro extremo del interruptor se conecta a dos ramas paralelas, una con resistor R subíndice 1 de 10 kΩ y otra con condensador C de 10 μF. Las dos ramas se conectan a la fuente V subíndice 1 a través del resistor R subíndice 2 de 30 kΩ.
95 .

Considere la cadena infinitamente larga de resistores que se muestra a continuación. ¿Cuál es la resistencia entre los terminales a y b?

El circuito muestra un circuito infinitamente largo con un resistor vertical R y sus dos extremos conectados a ramas horizontales con resistores R conectados al resistor vertical R conectado a ramas horizontales con resistores R y así sucesivamente.
96 .

Considere el siguiente circuito. El condensador tiene una capacitancia de 10 mF. El interruptor está cerrado y después de un largo tiempo el condensador está completamente cargado. (a) ¿Cuál es la corriente a través de cada resistor mucho tiempo después de cerrar el interruptor? (b) ¿Cuál es el voltaje a través de cada resistor mucho tiempo después de cerrar el interruptor? (c) ¿Cuál es el voltaje a través del condensador mucho tiempo después de cerrar el interruptor? (d) ¿Cuál es la carga del condensador mucho tiempo después de cerrar el interruptor? (e) A continuación, se abre el interruptor. El condensador se descarga a través de los resistores. ¿Cuánto tiempo pasa antes de que la corriente baje a una quinta parte del valor inicial?

El terminal positivo de la fuente de voltaje V de 12 V está conectado a un interruptor abierto. El otro extremo del interruptor está conectado a dos ramas paralelas. La primera rama tiene resistores R subíndice 2 de 2 Ω y R subíndice 2 de 4 Ω. La segunda rama tiene resistores R subíndice 3 de 3 Ω y R subíndice 4 de 3 Ω. Las dos ramas se conectan en el centro mediante el condensador C. Los otros extremos de las ramas están conectados a tierra.
97 .

Un calefactor de inmersión de 120 V consiste en una bobina de cable que se coloca en una taza para hervir el agua. El calefactor puede hervir una taza de agua de 20,00°C20,00°C en 180,00 segundos. Compra uno para utilizarlo en su dormitorio, pero le preocupa que se sobrecargue el circuito y se dispare el disyuntor de 15,00 A, 120 V, que abastece a su dormitorio. En su dormitorio, tiene cuatro bombillas incandescentes de 100,00 W y un calefactor de 1500,00 W. (a) ¿Cuál es la potencia del calefactor de inmersión? (b) ¿Hará saltar el disyuntor cuando todo esté encendido? (c) Si sustituye las bombillas incandescentes por LED de 18,00 W, ¿hará saltar el disyuntor cuando todo esté encendido?

98 .

Halle la resistencia que debe colocarse en serie con un galvanómetro de 25,0-Ω25,0-Ω que tiene 50,0-μA50,0-μA de sensibilidad (la misma que se comenta en el texto) para poder utilizarlo como voltímetro con una lectura de 3.000 V a escala real. Incluya un diagrama del circuito con su solución.

99 .

Halle la resistencia que debe colocarse en paralelo con un galvanómetro de 60,0-Ω60,0-Ω con una sensibilidad de 1,00 mA (la misma que se comenta en el texto) para poder utilizarlo como amperímetro con una lectura a escala real de 25,0 A. Incluya un diagrama del circuito con su solución.

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