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Física Universitaria Volumen 2

Problemas Adicionales

Física Universitaria Volumen 2Problemas Adicionales
  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 Adicionales

89 .

En una región del espacio, el campo eléctrico apunta a lo largo del eje x, pero su magnitud cambia como se describe en
Ex=(10N/C)sen(20x500t)Ey=Ez=0Ex=(10N/C)sen(20x500t)Ey=Ez=0
donde t está en nanosegundos y x está en cm. Calcule la corriente de desplazamiento a través de un círculo de radio de 3 cm en el x=0x=0 plano en t=0t=0.

90 .

Un horno de microondas utiliza ondas electromagnéticas de frecuencia f=2,45×109Hzf=2,45×109Hz para calentar los alimentos. Las ondas se reflejan en las paredes interiores del horno para producir un patrón de interferencia de ondas estacionarias cuyos antinodos son puntos calientes que pueden dejar marcas de hoyos observables en algunos alimentos. Las marcas de hoyos se miden a 6,0 cm de distancia. Utilice el método empleado por Heinrich Hertz para calcular la velocidad de las ondas electromagnéticas que esto implica.

Utilice el Apéndice D para los dos siguientes ejercicios

91 .

Galileo propuso medir la velocidad de la luz destapando una linterna y haciendo que un asistente a una distancia conocida destapara su linterna cuando viera la luz de la linterna de Galileo y cronometrando el retraso. ¿A qué distancia debe estar el asistente para que el retardo sea igual al tiempo de reacción humano de unos 0,25 s?

92 .

Demuestre que la ecuación de onda en una dimensión
2fx2=1v22ft22fx2=1v22ft2
es satisfecha por cualquier función doblemente diferenciable de la forma f(xvt)f(xvt) o f(x+vt)f(x+vt).

93 .

En su ajuste de potencia más alto, un horno microondas aumenta la temperatura de 0,400 kg de espaguetis en 45,0°C45,0°C en 120 s. (a) ¿Cuál fue la tasa de absorción de energía de los espaguetis, dado que su calor específico es 3,76×103J/kg·°C3,76×103J/kg·°C? Supongamos que los espaguetis son perfectamente absorbentes. (b) Halle la intensidad media de las microondas, dado que se absorben en un área circular de 20,0 cm de diámetro. (c) ¿Cuál es la intensidad máxima del campo eléctrico de las microondas? (d) ¿Cuál es la intensidad máxima del campo magnético?

94 .

Un determinado horno microondas proyecta 1,00 kW de microondas sobre una superficie de 30 cm por 40 cm. (a) ¿Cuál es su intensidad en W/m2W/m2? (b) Calcule la intensidad máxima del campo eléctrico E0E0 en estas ondas. (c) ¿Cuál es la máxima intensidad del campo magnético B0B0?

95 .

La radiación electromagnética de un láser de 5,00 mW se concentra en un 1,00-mm21,00-mm2 área. (a) ¿Cuál es la intensidad en W/m2W/m2? (b) Supongamos que una carga eléctrica de 2,00 nC está en el rayo. ¿Cuál es la máxima fuerza eléctrica que experimenta? c) Si la carga eléctrica se mueve a 400 m/s, ¿qué fuerza magnética máxima puede sentir?

96 .

Una bobina plana de 200 vueltas de alambre de 30,0 cm de diámetro actúa como antena para la radio FM a una frecuencia de 100 MHz. El campo magnético de la onda electromagnética entrante es perpendicular a la bobina y tiene una intensidad máxima de 1,00×10−12T1,00×10−12T. (a) ¿Qué potencia incide en la bobina? (b) ¿Qué emf media se induce en la bobina durante un cuarto de ciclo? (c) Si el receptor de radio tiene una inductancia de 2,50μH2,50μH, ¿qué capacitancia debe tener para resonar a 100 MHz?

97 .

Supongamos que una fuente de ondas electromagnéticas irradia uniformemente en todas las direcciones en el espacio vacío donde no hay efectos de absorción o interferencia. (a) Demuestre que la intensidad es inversamente proporcional a r2r2, la distancia a la fuente al cuadrado. (b) Demuestre que las magnitudes de los campos eléctrico y magnético son inversamente proporcionales a r.

98 .

Una emisora de radio emite sus ondas de radio con una potencia de 50.000 W. ¿Cuál sería la intensidad de esta señal si se recibe en un planeta que orbita alrededor de Próxima Centauri, la estrella más cercana a nuestro Sol, a 4,243 ly de distancia?

99 .

El vector de Poynting describe un flujo de energía cuando hay campos eléctricos y magnéticos. Considere un alambre cilíndrico largo de radio r con una corriente I en el alambre, con una resistencia R y un voltaje V. A partir de las expresiones para el campo eléctrico a lo largo del alambre y el campo magnético alrededor del alambre, obtenga la magnitud y la dirección del vector de Poynting en la superficie. Demuestre que tiene en cuenta un flujo de energía hacia el cable procedente de los campos que lo rodean y que explica el calentamiento óhmico del cable.

100 .

La energía del Sol llega a la Tierra con una intensidad de 1,37kW/m21,37kW/m2. Supongamos como modelo de aproximación que toda la luz es absorbida. (En realidad, alrededor del 30 % de la intensidad de la luz se refleja hacia el espacio).
(a) Calcule la fuerza total que la radiación del Sol ejerce sobre la Tierra.
(b) Compare esto con la fuerza de gravedad entre el Sol y la Tierra.
La masa de la Tierra es 5,972×1024kg.5,972×1024kg.

101 .

Si una nave espacial Lightsail fuera enviada en una misión a Marte, ¿en qué proporción de la fuerza final con respecto a la fuerza inicial se reduciría su propulsión al llegar a Marte?

102 .

Los astronautas lunares colocaron un reflector en la superficie de la Luna, en el que se refleja periódicamente un rayo láser. La distancia a la Luna se calcula a partir del tiempo de ida y vuelta. (a) ¿Con qué exactitud en metros puede determinarse la distancia a la Luna, si este tiempo puede medirse con una exactitud de 0,100 ns? (b) ¿Qué porcentaje de exactitud tiene esto, dado que la distancia media a la Luna es de 384.400 km?

103 .

El radar se utiliza para determinar las distancias a diversos objetos midiendo el tiempo de ida y vuelta de un eco procedente del objeto. (a) ¿A qué distancia se encuentra el planeta Venus si el tiempo de eco es de 1.000 s? (b) ¿Cuál es el tiempo de eco de un automóvil a 75,0 m de una unidad de radar de la policía de carretera? (c) ¿Con qué exactitud (en nanosegundos) se debe poder medir el tiempo de eco de un avión a 12,0 km de distancia para determinar su distancia a 10,0 m?

104 .

Calcule la relación entre las frecuencias más altas y más bajas de las ondas electromagnéticas que el ojo puede ver, dado que el rango de longitudes de onda de la luz visible es de 380 a 760 nm (tenga en cuenta que la relación entre las frecuencias más altas y las más bajas que el oído puede escuchar es de 1.000).

105 .

¿Cómo se compara la longitud de onda de las ondas de radio de una estación de radio AM que emite a 1030 KHz con la longitud de onda de las ondas sonoras más bajas audibles (de 20 Hz)? La velocidad del sonido en el aire a 20°C20°C es de unos 343 m/s.

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