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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

75 .

Un alambre de cobre de longitud L se convierte en una bobina circular con N vueltas. Cuando el campo magnético que atraviesa la bobina cambia con el tiempo, ¿para qué valor de N la emf inducida es máxima?

76 .

Una lámina de cobre de 0,50 kg cae a través de un campo magnético horizontal uniforme de 1,5 T, y alcanza una velocidad límite de 2,0 m/s. (a) ¿Cuál es la fuerza magnética neta sobre la lámina después de alcanzar la velocidad límite? (b) Describa el mecanismo responsable de esta fuerza. (c) ¿Cuánta energía se disipa en forma de calentamiento Joule mientras la lámina se mueve a velocidad límite?

77 .

Un disco circular de cobre de 7,5 cm de radio gira a 2.400 rpm alrededor del eje que pasa por su centro y es perpendicular a su cara. El disco está en un campo magnético uniforme BB de fuerza 1,2 T que se dirige a lo largo del eje. ¿Cuál es la diferencia de potencial entre el borde externo y el eje del disco?

78 .

Una varilla corta de longitud a se mueve con su velocidad vv en paralelo a un cable infinito que transporta una corriente I (vea más adelante). Si el extremo de la varilla más cercano al cable está a una distancia b del mismo, ¿cuál es la emf inducida en la varilla?

La figura muestra una varilla corta de longitud a que se mueve con su velocidad v paralela a un cable infinito que lleva una corriente I. La varilla se mueve a una distancia b del cable.
79 .

Un circuito rectangular que contiene una resistencia R es arrastrado a una velocidad constante vv lejos de un cable largo y recto que lleva una corriente I0I0 (vea más abajo). Derive una ecuación que dé la corriente inducida en el circuito en función de la distancia x entre el lado cercano del circuito y el cable.

La figura muestra un circuito rectangular que contiene un resistor R que es arrastrado a una velocidad constante v desde un cable largo y recto que lleva una corriente I0. El circuito se encuentra actualmente a una distancia x del cable. El lado largo del circuito es de la longitud a. Está en paralelo al cable y contiene el resistor. El lado corto del circuito es de la longitud b.
80 .

Dos solenoides infinitos cruzan el plano del circuito como se muestra a continuación. Los radios de los solenoides son de 0,10 y 0,20 m, respectivamente, y la corriente en cada solenoide está cambiando de forma que dB/dt=50,0T/s.dB/dt=50,0T/s. ¿Cuáles son las corrientes en los resistores del circuito?

La figura muestra dos solenoides infinitos que cruzan el plano del circuito. El circuito consta de tres resistores: Un resistor de 8 Ohm en el centro y dos resistores de 4 Ohm en los bordes.
81 .

Una bobina de ocho vueltas se enrolla de forma muy ajustada alrededor del exterior del solenoide largo, como se muestra a continuación. El radio del solenoide es de 2,0 cm y tiene 10 vueltas por centímetro. La corriente que pasa por el solenoide aumenta según I=I0(1eαt),I=I0(1eαt), donde I0=4,0AI0=4,0A y α=2,0×102s1.α=2,0×102s1. ¿Cuál es la emf inducida en la bobina cuando (a) t=0t=0, (b) t=1,0×102s,t=1,0×102s, y (c) t?t?

La figura muestra una bobina que se enrolla firmemente alrededor del exterior del solenoide largo.
82 .

A continuación se muestra un bucle rectangular largo de ancho w, longitud l, masa m y resistencia R. El bucle parte del reposo en el borde de un campo magnético uniforme BB y es empujada hacia el campo por una fuerza constante F.F. Calcule la velocidad del bucle en función del tiempo.

La figura muestra un bucle rectangular largo de ancho w. El bucle parte del reposo en el borde de un campo magnético uniforme y es empujado hacia el campo por una fuerza constante F.
83 .

Una barra cuadrada de masa m y resistencia R se desliza sin fricción por unos rieles conductores muy largos y paralelos de resistencia despreciable (vea más adelante). Los dos carriles están separados por una distancia l y están conectados entre sí en la parte inferior de la pendiente por un cable de resistencia cero. Los rieles están inclinados en un ángulo θθ, y hay un campo magnético vertical uniforme BB en toda la región. (a) Demuestre que la barra adquiere una velocidad límite dada por v=mgRsenθB2l2cos2θ.v=mgRsenθB2l2cos2θ. (b) Calcule el trabajo por unidad de tiempo realizado por la fuerza de gravedad. (c) Compárelo con la potencia disipada en el calentamiento Joule de la barra. (d) ¿Qué ocurriría si BB se invirtieran?

La figura muestra un cuadrado que se desliza por rieles conductores muy largos y paralelos. Los dos rieles están separados por una distancia l y están inclinados con un ángulo theta. Hay un campo magnético vertical uniforme B en toda la región.
84 .

La figura adjunta muestra un disco metálico de radio interior r1r1 y otros radios r2r2 girando a una velocidad angular ωω mientras se encuentra en un campo magnético uniforme dirigido paralelamente al eje de rotación. Los cables de las escobillas de un voltímetro se conectan a las superficies interiores y exteriores del oscuro, como se muestra. ¿Cuál es la lectura del voltímetro?

La figura muestra un disco metálico que gira a una velocidad angular en un campo magnético uniforme dirigido paralelamente al eje de rotación. Los cables de las escobillas de un voltímetro se conectan a las superficies interior y exterior del disco.
85 .

Un solenoide largo con 10 vueltas por centímetro se coloca dentro de un anillo de cobre de manera que ambos objetos tengan el mismo eje central. El radio del anillo es de 10,0 cm, y el radio del solenoide es de 5,0 cm. (a) ¿Cuál es la emf inducida en el anillo cuando la corriente I que pasa por el solenoide es de 5,0 A y cambia a una velocidad de 100 A/s? (b) ¿Cuál es la emf inducida en el anillo cuando I=2,0AI=2,0A y dI/dt=100A/s?dI/dt=100A/s? (c) ¿Cuál es el campo eléctrico en el interior del anillo para estos dos casos? (d) Supongamos que el anillo se desplaza de forma que su eje central y el eje central del solenoide siguen siendo paralelos pero ya no coinciden. (Debe suponer que el solenoide sigue dentro del anillo) Ahora, ¿cuál es la emf inducida en el anillo? (e) ¿Puede calcular el campo eléctrico en el anillo como lo hizo en la parte (c)?

86 .

La corriente en el cable largo y recto que se muestra en la figura adjunta viene dada por I=I0senωt,I=I0senωt, donde I0=15AI0=15A y ω=120πrad/s.ω=120πrad/s. ¿Cuál es la corriente inducida en el bucle rectangular en (a) t=0t=0 y (b) t=2,1×103s?t=2,1×103s? La resistencia del bucle es 2,0Ω.2,0Ω.

La figura muestra un circuito rectangular situado junto a un cable largo y recto que transporta una corriente I. El circuito está situado a una distancia de 5 cm del cable. El lado del circuito que mide 8 cm es paralelo al cable, el lado del circuito que mide 5 cm es perpendicular al cable.
87 .

Una bobina de 500 vueltas con un área de 0,250-m2 0,250-m2 es girada en el campo magnético de la Tierra de 5,00×10−5T5,00×10−5T, lo que produce una emf máxima de 12,0 kV. (a) ¿A qué velocidad angular debe girar la bobina? (b) ¿Qué no es razonable en este resultado? (c) ¿Qué suposición o premisa se cumple?

88 .

Un bucle circular de alambre de radio de 10 cm está montado en un eje vertical y gira a una frecuencia de 5 ciclos por segundo en una región de campo magnético uniforme de 2×10−4T2×10−4T perpendicular al eje de rotación. (a) Calcule una expresión para el flujo dependiente del tiempo a través del anillo (b) Determine la corriente dependiente del tiempo a través del anillo si tiene una resistencia de 10Ω10Ω.

89 .

Un solenoide largo de radio aa con nn vueltas por unidad de longitud lleva una corriente que depende del tiempo I(t)=I0senωtI(t)=I0senωt donde I0I0 y ωω son constantes. El solenoide está rodeado por un cable de resistencia R que tiene dos bucles circulares de radio b con b>ab>a. Calcule la magnitud y la dirección de la corriente inducida en los bucles exteriores en el momento t=0t=0.

90 .

Un bucle de cobre rectangular de masa de 100 g y resistencia 00,2Ω00,2Ω se encuentra en una región de campo magnético uniforme que es perpendicular a la zona encerrada por el anillo y horizontal a la superficie de la Tierra (vea más abajo). El bucle se suelta desde el reposo cuando se encuentra en el borde de la región de campo magnético diferente a cero. (a) Calcule una expresión para la velocidad cuando el bucle acaba de salir de la región de campo magnético uniforme. (b) Si se soltó en t=0t=0, cuál es el momento en que sale de la región del campo magnético para los siguientes valores a=25cm,b=50cm,B=3Ta=25cm,b=50cm,B=3T, g=9,8m/s2g=9,8m/s2?

La figura A muestra un bucle rectangular con los lados a y b en una región de campo magnético uniforme que es perpendicular al área encerrada por el bucle y horizontal a la superficie de la Tierra. La figura B muestra un bucle rectangular que debido a la fuerza de la gravedad dejó una región de campo magnético uniforme.
91 .

Una barra metálica de masa m se desliza sin fricción sobre dos rieles a una distancia D en la región que tiene un campo magnético uniforme de magnitud B0B0 y la dirección perpendicular a los rieles (vea más abajo). Los dos carriles están conectados en un extremo a un resistor cuya resistencia es mucho mayor que la de los rieles y la barra. La barra recibe una velocidad inicial de v0v0. Se ha comprobado que se ralentiza. ¿Qué distancia recorre la barra antes de detenerse? Supongamos que el campo magnético de la corriente inducida es despreciable en comparación con B0B0.

La figura muestra una barra metálica que se desliza sobre dos rieles separados por una distancia D en la región que tiene un campo magnético uniforme de magnitud en dirección perpendicular a los rieles. Los dos rieles están conectados en un extremo a un resistor R.
92 .

Un campo magnético uniforme que depende del tiempo de magnitud B(t) está confinado en una región cilíndrica de radio R. Una varilla conductora de longitud2D se coloca en la región, como se muestra a continuación. Demuestre que la emf entre los extremos de la varilla viene dada por dBdtDR2D2dBdtDR2D2. (Pista: Para calcular la emf entre los extremos, necesitamos integrar el campo eléctrico de un extremo a otro. Para hallar el campo eléctrico, utilice la ley de Faraday como "ley de Ampère para E.”)

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