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Física Universitaria Volumen 3

Problemas De Desafío

Física Universitaria Volumen 3Problemas De Desafío
  1. Prefacio
  2. Óptica
    1. 1 La naturaleza de la luz
      1. Introducción
      2. 1.1 La propagación de la luz
      3. 1.2 La ley de reflexión
      4. 1.3 Refracción
      5. 1.4 Reflexión interna total
      6. 1.5 Dispersión
      7. 1.6 Principio de Huygens
      8. 1.7 Polarización
      9. 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 Óptica geométrica y formación de imágenes
      1. Introducción
      2. 2.1 Imágenes formadas por espejos planos
      3. 2.2 Espejos esféricos
      4. 2.3 Imágenes formadas por refracción
      5. 2.4 Lentes delgadas
      6. 2.5 El ojo
      7. 2.6 La cámara
      8. 2.7 La lupa simple
      9. 2.8 Microscopios y telescopios
      10. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    3. 3 Interferencias
      1. Introducción
      2. 3.1 Interferencia de doble rendija de Young
      3. 3.2 Matemáticas de la interferencia
      4. 3.3 Interferencias de rendijas múltiples
      5. 3.4 Interferencia de película delgada
      6. 3.5 El interferómetro de Michelson
      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. 4 Difracción
      1. Introducción
      2. 4.1 Difracción de una rendija
      3. 4.2 Intensidad en la difracción de una rendija
      4. 4.3 Difracción de doble rendija
      5. 4.4 Rejillas de difracción
      6. 4.5 Aberturas circulares y resolución
      7. 4.6 Difracción de rayos X
      8. 4.7 Holografía
      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. Física moderna
    1. 5 Relatividad
      1. Introducción
      2. 5.1 Invariancia de las leyes físicas
      3. 5.2 Relatividad de la simultaneidad
      4. 5.3 Dilatación del tiempo
      5. 5.4 Contracción de longitud
      6. 5.5 La transformación de Lorentz
      7. 5.6 Transformación relativista de la velocidad
      8. 5.7 Efecto Doppler para la luz
      9. 5.8 Momento relativista
      10. 5.9 Energía relativista
      11. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Fotones y ondas de materia
      1. Introducción
      2. 6.1 Radiación de cuerpo negro
      3. 6.2 Efecto fotoeléctrico
      4. 6.3 El efecto Compton
      5. 6.4 Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno
      6. 6.5 Las ondas de materia de De Broglie
      7. 6.6 Dualidad onda-partícula
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    3. 7 Mecánica cuántica
      1. Introducción
      2. 7.1 Funciones de onda
      3. 7.2 El principio de incertidumbre de Heisenberg
      4. 7.3 La ecuación de Schrӧdinger
      5. 7.4 La partícula cuántica en una caja
      6. 7.5 El oscilador armónico cuántico
      7. 7.6 El efecto túnel de las partículas a través de las barreras de potencial
      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 Estructura atómica
      1. Introducción
      2. 8.1 El átomo de hidrógeno
      3. 8.2 Momento dipolar magnético orbital del electrón
      4. 8.3 Espín del electrón
      5. 8.4 El principio de exclusión y la tabla periódica
      6. 8.5 Espectros atómicos y rayos X
      7. 8.6 Láseres
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    5. 9 Física de la materia condensada
      1. Introducción
      2. 9.1 Tipos de enlaces moleculares
      3. 9.2 Espectros moleculares
      4. 9.3 Enlaces en los sólidos cristalinos
      5. 9.4 Modelo de electrones libres de los metales
      6. 9.5 Teoría de bandas de los sólidos
      7. 9.6 Semiconductores y dopaje
      8. 9.7 Dispositivos semiconductores
      9. 9.8 Superconductividad
      10. 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 Física nuclear
      1. Introducción
      2. 10.1 Propiedades de los núcleos
      3. 10.2 Energía de enlace nuclear
      4. 10.3 Decaimiento radioactivo
      5. 10.4 Reacciones nucleares
      6. 10.5 Fisión
      7. 10.6 Fusión nuclear
      8. 10.7 Usos médicos y efectos biológicos de la radiación nuclear
      9. 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 Física de partículas y cosmología
      1. Introducción
      2. 11.1 Introducción a la física de partículas
      3. 11.2 Leyes de conservación de las partículas
      4. 11.3 Cuarks
      5. 11.4 Aceleradores y detectores de partículas
      6. 11.5 El modelo estándar
      7. 11.6 El Big Bang
      8. 11.7 Evolución del universo primigenio
      9. 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. Índice

Problemas De Desafío

78 .

Los electrones y los positrones colisionan en un acelerador circular. Deduzca la expresión para la energía del centro de masa de la partícula.

79 .

La intensidad de la radiación de los rayos cósmicos disminuye rápidamente con el aumento de la energía, pero ocasionalmente hay rayos cósmicos extremadamente energéticos que producen una lluvia de radiación de todas las partículas que crean al golpear un núcleo en la atmósfera. Supongamos que una partícula de rayo cósmico con una energía de 1010GeV1010GeV convierte su energía en partículas con masa media de 200MeV/c2200MeV/c2.

(a) ¿Cuántas partículas se crean? (b) Si las partículas llueven sobre un área de 1.00-km21.00-km2, ¿cuántas partículas hay por metro cuadrado?

80 .

(a) Calcule la cantidad relativista γ=11v2/c2γ=11v2/c2 para protones de 1,00-TeV producidos en el Fermilab. (b) Si dicho protón creara un π+π+ teniendo la misma velocidad, ¿cuánto duraría su vida en el laboratorio? (c) ¿Qué distancia podría recorrer en este tiempo?

81 .

Los planes para un acelerador que produzca un haz secundario de mesones K que se dispersen desde los núcleos, con el fin de estudiar la fuerza fuerte, requieren que tengan una energía cinética de 500 MeV. (a) ¿Cuál sería la cantidad relativista γ=11v2/c2γ=11v2/c2 para estas partículas? (b) ¿Cuál sería su vida media en el laboratorio? (c) ¿Qué distancia podrían recorrer en este tiempo?

82 .

En las supernovas, los neutrinos se producen en grandes cantidades. Se detectaron a partir de la supernova 1987A en la Nube de Magallanes, que está a unos 120.000 años luz de la Tierra (relativamente cerca de nuestra Vía Láctea). Si los neutrinos tienen masa, no pueden viajar a la velocidad de la luz, pero si su masa es pequeña, su velocidad sería casi la de la luz. (a) Supongamos un neutrino con una masa 7-eV/c27-eV/c2 tiene una energía cinética de 700 keV. Halle la cantidad relativista γ=11v2/c2γ=11v2/c2 para él. (b) Si el neutrino sale de la supernova 1987A al mismo tiempo que un fotón y ambos viajan a la Tierra, ¿con qué antelación llega el fotón? No se trata de una gran diferencia de tiempo, dado que es imposible saber qué neutrino partió con qué fotón y la escasa eficacia de los detectores de neutrinos. Por tanto, el hecho de que los neutrinos se hayan observado a las pocas horas del resplandor de la supernova solo pone un límite superior a la masa del neutrino. (Pista: Es posible que tenga que utilizar una expansión en serie para hallar v para el neutrino, ya que su γγ es muy grande).

83 .

Suponiendo una órbita circular para el Sol alrededor del centro de la Vía Láctea, calcule su rapidez orbital utilizando la siguiente información: La masa de la galaxia equivale a una sola masa 1,5×10111,5×1011 veces la del Sol (o 3×1041kg3×1041kg), situado a 30.000 años luz de distancia.

84 .

(a) ¿Cuál es la fuerza de gravedad aproximada sobre una persona de 70 kg debida a la galaxia de Andrómeda, suponiendo que su masa total es 10131013 la de nuestro Sol y actúa como una sola masa a 0,613 Mpc de distancia? (b) ¿Cuál es la relación entre esta fuerza y el peso de la persona? Observe que Andrómeda es la galaxia grande más cercana.

85 .

(a) Una partícula y su antipartícula están en reposo respecto a un observador y se aniquilan (destruyendo completamente ambas masas), creando dos rayos γγ de igual energía. ¿Cuál es la energía característica de los rayos γγque usted buscaría si se tratara de una prueba de aniquilación protón-antiprotón? (El hecho de que dicha radiación se observe raramente es una prueba de que hay muy poca antimateria en el universo). (b) ¿Cómo se compara esto con la energía de 0,511-MeV asociada a la aniquilación electrón-positrón?

86 .

El pico de intensidad del CMBR se produce a una longitud de onda de 1,1 mm. (a) ¿Cuál es la energía en eV de un fotón de 1,1 mm? (b) Hay aproximadamente 109109 fotones por cada partícula masiva en el espacio profundo. Calcule la energía de 109109 de dichos fotones. (c) Si la partícula masiva promedio en el espacio tiene una masa de la mitad de la de un protón, ¿qué energía se crearía al convertir su masa en energía? (d) ¿Implica esto que el espacio está "dominado por la materia"? Explique brevemente.

87 .

(a) Utilice el principio de incertidumbre de Heisenberg para calcular la incertidumbre en la energía para un intervalo de tiempo correspondiente de 10-43s10-43s. (b) Compare esta energía con la energía de unificación de fuerzas 1019GeV1019GeV y diga por qué son similares.

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