Fi Sica General

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  • L U I S A LVA R E Z THON & H . A . V I L L AV I C E N C I O

    A PUNT E S D EF S I C A G E N E R A LFM F - 0 2 4 ( 2 0 1 3 )

    D E PA R TAMENTO D E C I E N C I A S F S I C A SU N I V E R S I DAD ANDR S B E L L O

  • Copyright 2013 Luis Alvarez Thon & H.A. Villavicencio

  • Contenido

    1. Acerca de la Ciencia 71.1. Ciencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2. La medicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3. Mediciones astronmicas en la antigedad . . . . . . . . . 101.4. El mtodo cientfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5. Teoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.6. Falacias pseudo-cientficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.7. Exactitud y precisin (Opcional) . . . . . . . . . . . . . . 18

    2. Movimiento de una partcula 212.1. Los principios o leyes de newton . . . . . . . . . . . . . . 212.2. Primera ley: principio o ley de inercia . . . . . . . . . . . 212.3. Fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4. Velocidad y rapidez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5. Aceleracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.6. Resumen de ecuaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.7. Cada libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.8. La segunda ley de movimiento de Newton . . . . . . . . . 392.9. La tercera ley de movimiento de Newton . . . . . . . . . . 47

    3. Energa 513.1. Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2. Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.3. Tipos de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    4. Termodinmica 614.1. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.2. Termmetros y escalas de temperatura . . . . . . . . . . . 624.3. Conversin entre la escala Farenheit y la escala Celsius . . 624.4. Cero absoluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.5. Calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.6. Energa interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.7. Expansin trmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.8. Capacidad calorfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.9. Calor especfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.10. Cambios de estado de la materia . . . . . . . . . . . . . . 714.11. Transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    5. Electricidad 775.1. Carga elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.2. Ley de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.3. Campo elctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.4. Potencial elctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

  • 4 luis alvarez thon & h.a. villavicencio

    5.5. Corriente elctrica y circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    6. Oscilaciones 1056.1. Movimiento de un sistema masa-resorte . . . . . . . . . . 1056.2. El pndulo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.3. Un M.A.S. es una idealizacin . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.4. Oscilaciones forzadas y resonancia . . . . . . . . . . . . . 109

    7. Ondas 1117.1. Pulso de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1117.2. Tipos de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1127.3. Formulacin matemtica de una onda . . . . . . . . . . . 1127.4. Ondas en una cuerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147.5. Comportamiento de las ondas . . . . . . . . . . . . . . . . 1147.6. Ondas estacionarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187.7. Ondas electromagnticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1207.8. Efecto Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

    8. Reflexin y refraccin de la luz 1258.1. Reflexin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1258.2. Ley de reflexin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1268.3. Refraccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1298.4. Espejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1318.5. Lentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

    9. El tomo 1439.1. Modelos atmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1439.2. Cuantizacin de la energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479.3. Los espectros atmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1489.4. Las transiciones electrnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . 1509.5. Mecnica cuntica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519.6. El efecto fotoelctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

    10.El ncleo atmico 15510.1. Istopos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15510.2. Los rayos X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15610.3. Radiactividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15710.4. Decaimiento y vida media . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15810.5. Usos prcticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

    ndice alfabtico 163

  • IntroduccinEsta asignatura est inserta en las ciencias bsicas del plan comn de

    estudios de los primeros aos de las carreras de la Facultad de Ingenie-ras. Este curso introductorio de fsica es donde se sientan las bases deesta ciencia as como sus estructuras conceptuales bsicas. Se realiza unbarrido sobre diferentes tpicos para que el estudiante valore la capacidadde modelar fenmenos cotidianos mediante modelos fsicos simples.

    La fsica es el estudio de las reglas de la naturaleza, y si uno conoceestas reglas entonces podr apreciar mejor la belleza del entorno que nosrodea. La matemtica es la herramienta que se utiliza para modelar estasreglas por medio de numerosas ecuaciones. Pero ms que ecuaciones, loque buscamos en este curso es motivar e ilustrar conceptos importan-tes con ejemplos numricos concretos. No pretendemos usar matemticasavanzadas que se necesitaran si construyramos un puente o si necesit-ramos evaluar la trayectoria de un cohete. Sin embargo, clculos precisoscasi nunca son necesarios para entender la esencia de la mayora de losfenmenos fsicos.

    Debemos recalcar que el objetivo de estos apuntes no es reemplazarlos excelentes libros de texto disponibles en la biblioteca, sino que tienencomo objetivo guiar al alumno a consultar esos textos. La bibliografatentativa es la siguiente:

    Fsica para ciencias e ingenieras, 6a edicin, Autor: Raymond A.Serway & John W. Jewet Editorial: Thomson

    Fsica Conceptual, Autor: Paul G. Hewitt, Adison Wesley.

  • CAPTULO1Acerca de la Ciencia

    1.1 CienciaCiencia, proviene del latn y significa conocimiento1. El conocimien- 1 En latn Scientia, que significa cono-

    cimiento.to es el objetivo de la ciencia, pero no un conocimiento cualquiera, elconocimiento de la naturaleza.2 2 No confundir ciencia con tecnologa.

    La ciencia se ocupa de reunir conoci-mientos y organizarlos. La tecnologapermite al hombre usar esos conoci-mientos para fines prcticos, y propor-ciona las herramientas que necesitan loscientficos en sus investigaciones.

    Desde la antigedad el hombre ha buscado entender las relaciones,las proporciones y ritmos de la naturaleza. Antes que se desarrollara laescritura, hombres en distintas partes del mundo reconocan un patrn, elcambio estacional, viendo como las estaciones se sucedan ordenadamenteen un ciclo infinito.

    Esta observacin les permiti poder prepararse, acumular lo necesario,en una etapa inicialmente nmade de la humanidad, cuando cazaban yrecolectaban. Eventualmente, una nueva observacin, el ver que las se-millas eran el origen de las plantas, les permiti cultivar, dando paso ala vida sedentaria, as como tambin fuertes cambios en la vida social,el paso del nomadismo al sedentarismo es tambin el paso social de unaestructura matriarcal a una patriarcal, as entonces, la ciencia, el cono-cimiento de la naturaleza, ha afectado desde pocas remotas la vida delhombre, para bien o para mal.

    Pasaron los milenios y hubo quienes se dieron cuenta que podranpredecir estas estaciones mediante la observacin del cielo, reconociendoun nuevo patrn, las estrellas fijas (las estrellas tal como las conocemosahora) y las estrellas mviles (los planetas).

    Hace ya miles de aos, en Mesopotamia, los sacerdotes de los cultosestelares ya eran capaces de identificar patrones en las estrellas, a losque llamaron constelaciones y mediante estos patrones y la observacindel curso del Sol, reconocer el inicio de las estaciones y con ello, poderprepararse para ellas.

    Estas mismas observaciones llevaron a los sabios griegos a poder, muyposteriormente, unos siglos antes de nuestra era a determinar cosas comola circunferencia y radio de la Tierra,3 generndose incluso en esa po- 3 S! en esa poca, hace ms de 2000

    aos se supona ya que la Tierra teniauna forma que tenda a una esfera.

    ca teoras como el modelo heliocntrico (el Sol como centro del sistemaplanetario, no la Tierra).

    Ya en nuestra era, mltiples corrientes han pasado a travs de la cien-cia, durante la edad media en Europa por ejemplo, se consideraba peca-minoso tratar de entender la obra divina y se castigaba a quienes con-tradecan los dichos del texto sagrado, mientras, en medio oriente, losislmicos, guiados por otro texto sagrado hacan grandes avances en lasmatemticas y la astronoma, llegando a adelantarse hasta en 600 aos a

  • 8 apuntes de fsica general fmf-024 (2013)

    Europa en algunas reas.Posteriormente, en Europa, diversas corrientes como el renacimiento

    trajeron un resurgir de la ciencia, una ciencia que an conservaba lasbases de la ciencia clsica de los griegos.4 Posterior a esta poca, han 4 Para los griegos, la ciencia era el es-

    tudio de la naturaleza, del arte y de lodivino.

    venido tiempos de fuerte racionalismo en que el arte y el estudio de lodivino han quedado relegados. Muchas c