física - McGraw-Hill Interamericana de España SL.

FÍSICA
Joan M. Mercadé i Capellades
Salvador Serra i Estrada
Montserrat Armengol i Solé
2
Revisió tècnica
Arnau Oliveras Roig
MADRID - BARCELONA - BUENOS AIRES - CARACAS
GUATEMALA LISBOA - MÉXICO - NUEVA YORK - PANAMÁ
SAN JUAN - BOGOTÁ - SANTIAGO - SAO PAULO
AUCKLAND - HAMBURGO - LONDRES - MILÁN MONTREAL
NUEVA DELHI - PARÍS - SAN FRANCISCO - SIDNEY - SINGAPUR
ST. LOUIS - TOKIO - TORONTO
8448170028_presentacio.indd 1
22/1/09 12:03:07
Física 2 ? Batxillerat
és permesa la reproducció total o parcial d’aquest llibre, ni el seu tractament inforNo
màtic, ni la transmissió de cap forma o per qualsevol mitjà, ja sigui electrònic, mecànic,
per fotocòpia, per registre o d’altres mitjans. Adreceu-vos a CEDRO (Centro Español
de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necessiteu fotocopiar o escanejar algun
fragment d’aquesta obra.
Drets reservats
© 2009, respecte a la primera edició en català per:
McGraw-Hill/Interamericana de España, S.A.U.
Edificio Valrealty, 1.a planta
Basauri, 17
28023 Aravaca (Madrid)
ISBN: 978-84-481-7002-8
Dipòsit legal:
Editora de projecte: Mònica Garcia
Editor: Alejandro Algarra
Tècnic editorial: Conrad Agustí
Disseny de coberta: Quin Team! i Axioma Comunicació
Disseny d’interiors: Quin Team!
Fotografíes: A
.G.E. Fotostock, Cells Alba, Cover, Firo Foto,
Getty images, Índex, Prisma i fons McGraw-Hill
Il.lustracions: Albert Badia i Campos
Composició: Carrera Edició, S.L.
Imprès a:
IMPRÈS A
8448170028_presentacio.indd 2
- PRINTED IN
22/1/09 12:03:08
Presentació
Aquest llibre correspon al segon curs de batxillerat de la matèria de Física i va
adreçat a l’alumnat de la modalitat de ciències i tecnologia.
El desenvolupament dels continguts s’ajusta al currículum de batxillerat per
aquesta matèria i es distribueix en una primera unitat introductòria sobre càlcul
vectorial i 9 unitats agrupades en 3 blocs: Mecànica i camps, Ones i Física moderna.
Cada unitat s’estructura segons el mateix esquema:
j Pàgina de presentació de la unitat, amb una il.lustració que fa refèrencia
als continguts que s’hi estudien.
j Desenvolupament de la unitat, amb diferents apartats i subapartats on
s’enuncien i es desenvolupen les definicions, els principis, les lleis i els teoremes corresponents, i s’hi intercalen molts exemples teòrics i numèrics que
ajuden a entendre els continguts que s’estan explicant.
j Física quotidiana, amb un recull de propostes basades en la vida quotidiana
que permeten treballar el tema central de la unitat des de una òptica més
pràctica.
j Activitats finals, que consisteix en un recull de qüestions teòriques i pro-
blemes numèrics semblants als exemples resolts.
j Pràctica, on es proposa la realització d’experiències de laboratori sobre el
que s’ha estudiat a la unitat i que en faciliten la comprensió.
Amb l’Avaluació del bloc s’examinen els continguts treballats a cada bloc d’una
manera semblant a com es fa en les PAU, al final d’aquesta etapa.
Creiem que aquest llibre complementa el que s’ha estudiat al primer curs de
batxillerat. Penseu que molts dels continguts que s’hi tracten ja han estat introduïts a primer, però ara es desenvolupen de manera més complexa. Si recordem que a primer es va fer un estudi de la Física i de les seves magnituds sense
utilitzar les eines de càlcul vectorial i de l’anàlisi infinitesimal, ara és el moment d’aplicar-les amb rigor.
Ens sentiríem plenament satisfets si aquest llibre que presentem ajudés l’alumnat a assolir el bagatge necessari per introduir-se de manera autònoma i creativa en estudis posteriors o en el món laboral.
Els autors
8448170028_presentacio.indd 3
22/1/09 12:03:09
COM S’UTILITZA
AQUEST LLIBRE
BLOC
Introducció de bloc
Aquest llibre de segon de Batxillerat està format per una unitat
d’Introducció al càlcul vectorial i pels tres blocs que són: 1. Mecànica i camps; 2. Ones; Mecànica i camps. Cadascun dels blocs està
format per diferents unitats.
Avaluació del bloc
Al final de cadascun dels blocs del
llibre de Física 2 Batxillerat, hi ha
una sèrie de problemes per poder
avaluar els alumnes.
L’agrupament de les unitats en blocs respon a una qüestió
d’afinitat temàtica, però el seu seguiment no ha de ser necessàriament seqüencial.
CD DE L’ALUMNE
Mateial interactiu ideat com a suport per a l’es­
tudiant. Hi trobareu informació referent a la matèria
tant per reforçar com per ampliar coneixements.
Funciona amb dos sistemes operatius: Windows i
Linux.
En aquest CD trobareu recursos útils per reforçar o
ampliar el material que ja oferereix el llibre, com ara
tot un seguit d’activitats classificades per unitats,
enllaços a llocs web, bibliografia i un glossari.
8448170028_presentacio.indd 4
22/1/09 12:03:10
UNITAT
Tractament teòric de la matèria
Cada unitat s’estructura de la manera següent:
desenvolupament dels continguts conmceptuals
i procedimentals, exemples resolts i activitats al
final de cada apartat.
Activitats finals
És un recull d’exercicis i problemes relacionats amb
els continguts que s’han treballat a la unitat.
8448170028_presentacio.indd 5
Física quotidiana
Al final de cada unitat hi ha troba l’apartat Física
quotidiana, que recull unja sèrie de propostes basades en la vida quotidiana. Aquest apartat permet
treballar el tema central de la unitat des d’una òptica més pràctica per acostar el mon de la física al
dia a dia dels alumnes.
Pràctica
En aquestes pàgines es proposa la realització
d’experiències sobre allò que s’ha estudiat a la
unitat per facilitar-ne la comprensió.
22/1/09 12:03:11
ÍNDEX
6
Unitat 0. Introducció al càlcul vectorial .. . . . . . 9
Unitat 3. Camp elèctric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Concepte de vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1 Càrrega elèctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Components d’un vector .. . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Llei de Coulomb .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Suma i diferència de vectors .. . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Camp elèctric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Producte d’un vector per un escalar . . . . . . . . . . 14
3.4 Potencial elèctric creat per una càrrega
puntual .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Producte escalar de dos vectors .. . . . . . . . . . . . 17
Funcions vectorials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
BLOC
1. Mecànica i camps
Unitat 1. Mecànica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Energia potencial elèctrica . . . . . . . . . . . . 120
3.6 Superfícies equipotencials .. . . . . . . . . . . . 127
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Unitat 4. Electromagnetisme I .. . . . . . . . . . . . . 141
4.1 Camp magnètic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
1.1Sistema de referència inercial . . . . . . . . . . 28
4.2 Força magnètica sobre una càrrega elèctrica
en moviment .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
1.2 Vector de posició. Trajectòria .. . . . . . . . . . 28
4.3 Força electromagnètica sobre una càrrega . . 155
1.3 Vector velocitat .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Força electromagnètica sobre un conductor . 160
1.4 Vector acceleració . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6 Exemples d’aplicació de les lleis
de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5 Camp magnètic creat per distribucions
de corrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.6 Forces entre dos conductors paral.lels
i infinits .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
1.7 Treball, potència i energia .. . . . . . . . . . . . 43
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Unitat 5. Electromagnetisme II .. . . . . . . . . . . . 177
Unitat 2. Camp gravitatori .. . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1 Flux magnètic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
2.1 Camps físics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 Força electromotriu induïda: llei de Faraday . 180
2.2 Camps conservatius . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Generadors de corrent elèctric .. . . . . . . . . 187
2.3 Llei de la gravitació universal . . . . . . . . . . 64
5.4 Circuits de corrent altern amb una
resistència . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
1.5 Dinàmica. Les lleis de Newton . . . . . . . . . . 38
2.4 Camp gravitatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5 Camp gravitatori creat per una distribució
de masses puntuals . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5 Valors eficaços d’un corrent altern . . . . . . . 194
5.6 El transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
2.6 Potencial gravitatori d’una massa puntual . . 77
5.7 Camp electromagnètic .. . . . . . . . . . . . . . . 198
2.7 Energia potencial gravitatòria . . . . . . . . . . 81
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
2.8 Superfícies equipotencials .. . . . . . . . . . . . 90
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Avaluació del bloc 1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8448170028_presentacio.indd 6
22/1/09 12:03:12
ÍNDEX
BLOC
2. Ones
BLOC
7
3. Física moderna
Unitat 6. Moviment ondulatori . . . . . . . . . . . . . 207
Unitat 8. Física moderna .. . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.1 Moviments periòdics. Moviments
oscil.latoris .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.1 Teories històriques sobre la llum . . . . . . . . 280
6.2 Moviment harmònic simple . . . . . . . . . . . . 209
8.3 Lleis de Maxwell i ones electromagnètiques . 288
6.3 Dinàmica del moviment harmònic simple .. . 217
6.4 El moviment ondulatori .. . . . . . . . . . . . . . 225
6.5 Classificació de les ones.. . . . . . . . . . . . . . 226
6.6 Velocitat de fase, front d’ona i raig. . . . . . . 229
8.2 Triomf del model ondulatori .. . . . . . . . . . . 284
8.4 Els fonaments de la física moderna .. . . . . . 292
8.5 L’efecte fotoelèctric . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
8.6 Dualitat ona-corpuscle. Introducció a la
mecànica quàntica .. . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.7 Ones harmòniques. Equació d’ona
i magnituds ondulatòries .. . . . . . . . . . . . . 231
8.7 Introducció a la teoria de la relativitat .. . . 305
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Unitat 7. Fenòmens ondulatoris. El so .. . . . . . . 245
7.1 Principi de Huygens. Difracció .. . . . . . . . . 246
7.2 Reflexió i refracció .. . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.3 Polarització .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4 Efecte Doppler .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.5 Interferències . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.6 Ones estacionàries .. . . . . . . . . . . . . . . . . 258
7.7 El so com a ona mecànica . . . . . . . . . . . . . 263
7.8 Aplicacions de les ones mecàniques . . . . . . 272
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Unitat 9. Física nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.1 Forces fonamentals .. . . . . . . . . . . . . . . . . 322
9.2 La Teoria del Big Bang i l’origen de l’Univers . 325
9.3 Les partícules atòmiques .. . . . . . . . . . . . . 326
9.4 Estabilitat nuclear i radioactivitat . . . . . . . 332
9.5 Reaccions nuclears .. . . . . . . . . . . . . . . . . 340
9.6 Radiacions ionitzants .. . . . . . . . . . . . . . . 347
9.7 L’energia nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Física quotidiana .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Activitats finals .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Pràctica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
Avaluació del bloc 3 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Avaluació del bloc 2 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8448170028_presentacio.indd 7
22/1/09 12:03:13
8448170028_presentacio.indd 8
22/1/09 12:03:13