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BLOQUE TEMÁTICO I. ESTRUCTURA ATÓMICA. Carga horaria: 25 horas. Propósito: Al final de este bloque el estudiante será capaz de; Evaluar las implicaciones del uso de la ciencia y la tecnología, así como los fenómenos relacionados con el origen, continuidad y transformación de la naturaleza para establecer acciones a fin de preservarla en todas sus manifestaciones; Valorar el papel fundamental del ser humano como agente modificador de su medio natural proponiendo alternativas que respondan a las necesidades del hombre y la sociedad, cuidando el entorno; Aplicar la metodología apropiada en la realización de proyectos interdisciplinarios atendiendo problemas relacionados con las ciencias experimentales; Interpretar tablas, gráficas, mapas, diagramas y textos con símbolos matemáticos y científicos, a partir de la construcción y aplicación del concepto de energía en las interacciones con la estructura atómica de la materia.

Núcleo Temático Energía electromagnética, emisión y absorción de radiación, cuerpo negro, constante de Planck. Cuanto, Efecto fotoeléctrico, Intensidad de radiación.

Problemática Problema 1 Preconcepciones. Radiación de cuerpo negro. Problema 2. Hipótesis y experimentos. Hipótesis de Planck. Problema 3A Construcción de modelos. Efecto fotoeléctrico. Problema 3B Construcción de modelos. Relación intensidad de energía-longitud de onda. Problema 4A Aplicaciones. Termocalentador solar. Problema 4B Aplicaciones. Radiación Cósmica de Fondo. Problema 4C Aplicaciones. Laser. Proyecto interdisciplinario. Realizar un ensayo acerca del texto La energía y la vida. Bioenergética o la explicación del funcionamiento de una celda solar a partir de conceptos cuánticos.

Estrategias de aprendizaje, enseñanza y evaluación. Secuencias didácticas. El principio de conservación de la energía se ha revisado desde la física clásica, para sistemas macroscópicos. Sin embargo, éste principio también se cumple para sistemas microscópicos, estamos hablando de moléculas, átomos, núcleos. El estudio de la electrodinámica y la termodinámica, no podían explicar satisfactoriamente la interacción entre materia y radiación, como en el caso de la distribución de energía emitida por un sólido caliente a distintas temperaturas, es la mecánica cuántica la que explica éste fenómeno rompiendo paradigmas al establecer un nuevo marco teórico, un modelo, que se ajusta a las observaciones experimentales. Introducción Problema 1 Preconcepciones. Radiación de cuerpo negro. 2 horas. Análisis 1. A partir del análisis de un experimento, un cubo de hielo envuelto en tela blanca y otro en tela negra, el alumno aporta los argumentos que apoyen sus ideas acerca de lo que creé que ocurre. Dirigir las respuestas a que relacionen la energía que reciben y las superficies que lo contienen, para concebir a la energía como una propiedad de la radiación. Producto 1. Observaciones del experimento: La energía como propiedad de la radiación.

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Lectura 1. Realizar una lectura, acerca de cómo se comportan los pigmentos cuando interactúan con la luz, para establecer la diferencia entre el color de la luz emitida por un objeto y el color de la luz que refleja. Ver sitios: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/color/Pigmentos.htm y http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia17/HTML/articulo08.htm Producto 2. Diferencia entre el color de la luz reflejada y emitida por un objeto. Experimento 1. Para introducir los conceptos de absorción total o parcial de la radiación, se acerca la flama de un encendedor a los ojos cerrados y se compara la sensación cuando se tienen lentes puestos. Se pretende en primera instancia percibir la energía absorbida por una superficie, para después analizar la energía absorbida parcial o totalmente en diferentes superficies, utilizando los términos: radiación incidente, reflejada, absorbida, emitida, en función del interior y exterior de la superficie. Dicho análisis se conduce al concepto de cuerpo negro, un ejemplo es una pequeña abertura en un cuerpo hueco, como lo es la pupila en el ojo. Comentar que no existe en la naturaleza un cuerpo negro, es una idealización, incluso el negro de humo absorbe el 99% y refleja el 1% de la energía incidente. Producto 3. Análisis de energía absorbida y emitida por diferentes superficies. Evidencias de aprendizaje. Productos 1, 2, y 3. Desarrollo del proyecto. Proyecto interdisciplinario. Ensayo texto La energía y la vida. Bioenergética. 5 horas. El alumno efectuará la lectura del capítulo 1 y 2 del texto. Realizar la revisión de manera sistemática, por ejemplo: 1. realizar una lectura rápida, identificar la idea principal por párrafo; 2. comentar en equipo y de forma grupal aspectos relevantes de la lectura y/o que generen alguna duda; 3. realizar un debate para defender o refutar con argumentos las ideas aportadas en su primer ensayo; 4. ajustar ensayo. En el sitio: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/092/htm/energia.htm La ciencia para todos No. 92, La energía y la vida. Bioenergética. Producto 4. Ensayo final del texto. Evidencias de aprendizaje. Producto 4. Construcción de modelos. Problema 2 Hipótesis y experimentos. Hipótesis de Planck. 3 horas. Investigación 1. Comportamiento de la energía en relación con la frecuencia. Identificar el problema al que se enfrentó Planck, en cuanto a la contradicción de la teoría clásica con las mediciones experimentales para explicar el comportamiento de la energía en relación con la frecuencia. Comentar las hipótesis que propuso Planck, para justificar la conservación de la energía a nivel microscópico. Establecer que el nombre de física cuántica proviene del término cuanto quantum y se refiere al incremento mínimo de energía que corresponde a una variación de una unidad en el numero cuántico n, es decir, Δn = 1 y que ésta nos indica que el mundo físico es un lugar granulado de paquetes discretos y no el mundo liso y continuo que a simple vista parece. Ver sitio: http://www.youtube.com/watch?v=ibUNTvZFgLI&feature=related Revisar texto: Física en Ciencias e Ingeniería, Raymond A. Serway, tomo II pp. 693. Experimento 2. Oscilador atómico. A partir de la ecuación propuesta por Planck E = nhf, determinar y analizar el número cuántico (n) para el resorte con una masa y el cambio en la energía (∆E = En+1 - En = hf) de un quantum. Comentar que para un resorte las transiciones cuánticas son

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tan pequeñas que parece continuo, esto se puede demostrar a partir de la energía total (E = ½ k A2) del sistema masa-resorte y verificar que el orden de magnitud de la energía no está en un rango medible aún, por lo que percibimos al mundo macroscópico como continuo. Producto 5. Informe del experimento. Evidencias de aprendizaje. Producto 5. Problema 3A Construcción de modelos. Efecto fotoeléctrico. 4 horas. Investigación 2. Describir las condiciones para que ocurra la fotoemisión; características de la superficie fotoemisora y de la radiación incidente. Para establecer; la relación entre la frecuencia de la radiación y la energía de los fotoelectrones; la intensidad de la radiación con la intensidad de corriente de fotoelectrones. Introducir el concepto de fotón para interpretar el efecto fotoeléctrico. Establecer el comportamiento corpuscular de la luz. Explicar la transmisión energética en el efecto fotoeléctrico con base en los niveles de energía del átomo de Bohr. Análisis 2. Determinar la constante de Planck a partir de los datos que tienen de un experimento al radiar una placa de Potasio con luz amarilla de 5890 A procedente de un arco de sodio y con luz ultravioleta de 2537 A, procedente de un arco de mercurio. Se liberan electrones con potencial de frenado de 0.36 y 3.14 V, respectivamente. Conocida la carga del electrón, deducir la constante de Planck h a partir de la determinación de la pendiente en el grafico energía ganada por el electrón contra la frecuencia. Relacionar la forma del gráfico con la ecuación E = hf - Φ . Determinar el trabajo de extracción del metal. Enfatizar que hay un valor de longitud de onda límite que produce efecto fotoeléctrico. Producto 6. Obtención gráfica del valor de la constante de Planck. Evidencias de aprendizaje. Producto 6. Problema 3B Construcción de modelos. Relación intensidad de energía-longitud de onda. 6 horas. Análisis 3. Realizar una lectura acerca de los modelos matemáticos de Rayleigh–Jeans, Wien, y Max Planck, que relacionan la energía radiada por un sólido caliente con respecto a la longitud de onda y la ntensidad de radiación. ¿Existe una fórmula sencilla, que pueda deducirse de principios básicos, que se ajuste a las curvas de radiancia experimental (intensidad de radiación)? Analizar las curvas de los modelos matemáticos de Rayleigh – Jeans, Wien, y Stefan – Boltzmann, que relacionan la energía radiada por un sólido caliente con respecto a la longitud de onda y establecer las limitaciones de los modelos mencionados. Producto 7. Limitaciones de los modelos de Rayleigh – Jeans, Wien. Experimento 3. Determinación de la ley de Stefann – Boltztmann. Conectar a una fuente de voltaje variable un foco incandescente de 12 V, y registrar los valores de voltaje y corriente, con los datos obtenidos calcular la potencia eléctrica P = V I. Determinar la temperatura T del filamento con la ecuación R (T) = R0 [1+α (T – T0)], donde R0 es la resistencia del filamento a temperatura ambiente T0. Elaborar la gráfica un plano logarítmico la gráfica Pradiada vs Tfilamento , para verificar que la potencia radiada (intensidad de radiación) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura (T4) del cuerpo que emite radiación, tal y como lo establece la ley de Stefan – Boltzman (P = σ T4). Considerar que el resultado es una aproximación debido a que los soportes del filamento y el gas que pudiera contener el foco disipan energía. Producto 8. La relación P = σ T4 a partir de la pendiente de la recta de la ecuación log P = log σ + 4 logT. Demostración 1. Del modelo de Planck al de Stefan–Boltzmann. Determinar el área bajo la curva encontrada experimentalmente para la radiación de un sólido caliente (potencia de radiación contra longitud de onda). Comprobar que el modelo matemático de Planck se ajusta a la ley de Stefan – Boltzmann. Producto 9. Contraste de la Potencia total radiada, utilizando la expresión P = σ T4 con la medición del área bajo la curva del gráfico de Planck. Evidencias de aprendizaje. Producto 7, 8, y 9.

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Aplicación sistemática. Problema 4A. Aplicaciones. Termocalentador solar. 1 horas. Análisis 4. Investigar de qué variables depende un buen calentador solar, para hacer énfasis en el papel que desempeña el tipo de radiación incidente al ser absorbida y transformada en energía interna. Efectuar el cálculo de la energía que se requiere para producir un incremento de temperatura en un sistema. Por ejemplo, si luz verde de 5000 A, se absorbe completamente por el bulbo de un termómetro de 2 gramos de mercurio, para que aumente 3 grados centígrados. Calcular también el número de cuantos que suministran esta energía. Producto 10. Valor de la energía para calentar y número de cuantos. Evidencias de aprendizaje. Producto 10. Problema 4B. Aplicaciones. Radiación Cósmica de Fondo. 1 horas. Lectura 2. Realizar una lectura acerca de la Radiación Cósmica de Fondo. Comentar la utilidad del concepto de cuerpo negro para determinar la temperatura tanto de la radiación cósmica de fondo como de las estrellas o de cualquier cuerpo radiante, a partir de la ley del desplazamiento de

Wien ( mKxTmáx

310898.2 ). Estimar la longitud onda máxima a la cual emite radiación el cuerpo humano. Y la estimación de la temperatura de

la superficie del sol. Producto 11. Estimación del valor de la longitud de onda de la radiación del cuerpo humano y la temperatura de la superficie solar. Evidencias de aprendizaje. Producto 11. Problema 4C. Aplicaciones. Laser. 2 horas. Lectura 3. Establecer la noción probabilística del salto de un electrón de una órbita a otra. Introducir el concepto de nivel de energía permitido y hacer la analogía de estos con los niveles de energía del átomo de Bohr. Reinterpretar los saltos electrónicos en términos de variaciones de la forma y la posición de la nube de electrones (comportamiento probabilístico). Introducir las ideas de los estados metaestables y la emisión inducida para explicar el funcionamiento del láser. Mencionar aplicaciones tecnológicas actuales, tales como, en medicina (cirugía interna ocular o de reconstrucción), las comunicaciones por fibra óptica, en tecnología industrial o en metrología, a partir de la transmisión de energía en una fuente de luz láser. Producto 12. Descripción de la interacción de la radiación electromagnética con los niveles de energía permitidos y su desexcitación a través de la emisión de radiación electromagnética. Evidencias de aprendizaje. Producto 12. Evaluación del aprendizaje. 1 hora. Proyecto interdisciplinario. Realizar un ensayo acerca del texto La energía y la vida. Bioenergética.

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BLOQUE TEMÁTICO II. ESTRUCTURA SUBATÓMICA. Carga horaria: 23 horas. Propósito: Al final de este bloque el estudiante será capaz de; Evaluar las implicaciones del uso de la ciencia y la tecnología, así como los fenómenos relacionados con el origen, continuidad y transformación de la naturaleza para establecer acciones a fin de preservarla en todas sus manifestaciones; Valorar el papel fundamental del ser humano como agente modificador de su medio natural proponiendo alternativas que respondan a las necesidades del hombre y la sociedad, cuidando el entorno; Aplicar la metodología apropiada en la realización de proyectos interdisciplinarios atendiendo problemas relacionados con las ciencias experimentales; Interpretar tablas, gráficas, mapas, diagramas y textos con símbolos matemáticos y científicos, a partir de la construcción y aplicación del concepto de energía en las interacciones con la estructura subatómica de la materia.

Núcleo Temático. Relación e/m, Carga del electrón, Masa del electrón, Principios de conservación, Radiactividad, Procesos nucleares, Partículas subatómicas.

Problemática Problema 1. Preconcepciones. De los átomos a los quarks. Problema 2A. Hipótesis y experimentos. Los rayos catódicos y la determinación del valor e/m. Problema 2B. Hipótesis y experimentos. Experimento de Millikan. Problema 3A. Construcción de modelos. Radiactividad y Vida media. Problema 3B. Construcción de modelos. Los principios de conservación a nivel subatómico. Problema 4A. Aplicaciones. Tubos de rayos catódicos en el cinescopio y el osciloscopio. Problema 4B. Aplicaciones. Fisión nuclear, ¿solución a nuestro problema de energía? Problema 4C. Aplicaciones. Fusión nuclear y la energía solar. Problema 4D. Aplicaciones. Detectores de partículas. Proyecto interdisciplinario. Aceleradores de partículas, Teoría de los Quarks y la próxima revolución de la física.

Estrategias de aprendizaje, enseñanza y evaluación. Secuencias didácticas. En la búsqueda de la comprensión de la naturaleza, el ser humano se ha visto en la necesidad de enfocar sus investigaciones tanto a niveles macro como microscópicos. En particular, el caso del estudio de la materia se ha dirigido a niveles cada vez más pequeños, observándose la interacción materia-energía desde su nivel más fundamental conocido, así como los fenómenos que tienen lugar en esa escala. Con lo anterior se pretende tener una mejor comprensión de las propiedades macroscópicas que manifiesta la materia. Un ejemplo es el replanteamiento de la teoría respecto a las partículas que se consideraban fundamentales (protón, neutrón y electrón), en la actualidad se sabe que existen nuevas partículas que constituyen a las anteriores. Introducción Problema 1 Preconcepciones. De los átomos a los Quarks. 1 hora. Investigación 1. Realizar una investigación documental respecto a la evolución que ha tenido la forma de concebir cómo está constituida la materia desde la época de los antiguos griegos hasta nuestros días. La información obtenida dará lugar a una discusión en clase en la que se plantee las razones que llevaron a cambiar la concepción del hombre en las diferentes épocas. Se debe enfatizar la necesidad del conocimiento motivada por problemas diversos.

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Producto 1. Reporte de la investigación. Evidencias de aprendizaje. Producto 1. Desarrollo del proyecto. Proyecto interdisciplinario. Los aceleradores de partículas, la Teoría de los Quarks y la próxima revolución de la Física. 5 horas. Con un enfoque interdisciplinario entre los distintos campos de la ciencia y la ingeniería, realizar investigaciones documentales por equipos respecto al papel que han jugado los aceleradores de partículas hasta las expectativas generadas en torno al Gran Colisionador de Hadrones; LHC (Large Hadron Collider) en el conocimiento de las partículas elementales. Destacar el carácter colectivo del trabajo en estos proyectos, su status internacional, la división del personal entre permanentes y visitantes, para la realización de los proyectos y, la carrera por energías cada vez mayores. Describir la investigación experimental y tecnológica que desarrolla y fundamenta la teoría de los Quarks, así como sus implicaciones y el posible replanteamiento de nuestra teoría física. Enfatizar que a lo largo de la historia el conocimiento científico es y ha sido susceptible de cambios motivados principalmente por los aportes de mentes brillantes aunados al desarrollo de la tecnología, ya que sin esta última muchas de las hipótesis no pudieron haber sido constatadas. Se sugiere la lectura de un texto de divulgación científica acerca del descubrimiento de las Partículas elementales en el cual los autores pretenden guiar al lector a través del mundo de las partículas elementales empleando un lenguaje sencillo y claro adecuado al nivel de los alumnos. Realizar un ensayo de la lectura por parte del alumno para llevar a cabo una discusión grupal. Con esta lectura y la guía del profesor se busca generar que el alumno tenga una nueva concepción acerca de la estructura fundamental de la materia y que el modelo Protón- neutrón-electrón ha sido modificado, dando lugar a toda una teoría que se encuentra aún en construcción. Producto 10. Ensayo de la lectura y tabla de caracterización, con las propiedades más importantes (masa, carga eléctrica, vida media.) de las partículas consideradas fundamentales. Construcción de modelos. Problema 2A. Hipótesis y experimentos. Los rayos catódicos y la determinación del valor e/m. 3 horas. Experimento 1. Inferir de la observación experimental, en el laboratorio, de un tubo de rayos catódicos, propiedades tales como la velocidad, la masa, la energía, el momentum y la carga. Producir deflexiones del los rayos catódicos al acercar un campo magnético y otro eléctrico, recordar la regla de interacción de los campos magnéticos cuando son perpendiculares al movimiento de las partículas eléctricas. Hacer la consideración de que la deflexión debida a la fuerza de gravedad no es significativa. Análisis 1. Analizar el comportamiento de los rayos catódicos cuando interaccionan con campos eléctricos y magnéticos que producen desviaciones en ellos para establecer el valor experimental para la relación e/m. Producto 2. Análisis del experimento y deducción del valor de la relación e/m. Evidencias de aprendizaje. Producto 2. Problema 2B. Hipótesis y experimentos. Experimento de Millikan. 2 horas. Análisis 2. Interpretar el experimento de la gota de aceite de Millikan, analizar los resultados para deducir la carga del electrón. Éste es un buen momento para que los estudiantes hagan un esfuerzo por observar, de entre un grupo de valores experimentales, que los números de estos resultados son múltiplos de uno menor cuyo valor es la carga del electrón. Con este valor se puede ahora determinar la masa del electrón.

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Producto 3. Deducción matemática de la carga y masa del electrón. Evidencias de aprendizaje. Producto 3. Problema 3A Construcción de modelos. Radiactividad y Vida media. 2 horas. Investigación 2. Revisar la interpretación en términos energéticos del descubrimiento de los rayos Becquerel. ¿Cómo se detectaron y se concluyó que los rayos eran dos partículas masivas y radiación electromagnética; alfa, beta y gamma? Caracterizar la naturaleza de cada una de ellas, su relación con su registro en detectores de partículas y sus poderes de penetración y de ionización. Reconocer algunos isotopos radiactivos y el concepto de vida media. Análisis 3. Construir y analizar las gráficas de decaimiento radiactivo de algunos isotopos radiactivos que muestren la semejanza de las curvas a pesar de que los tiempos de vida media sean muy dispares. Producto 4. Gráficos de vida media e interpretaciones correspondientes. Evidencias de aprendizaje. Producto 4. Problema 3B Construcción de modelos. Los principios de conservación a nivel subatómico. 3 horas. Interpretar los principios de conservación de la masa, la energía, la carga eléctrica y el ímpetu, para que con la guía del profesor el alumno sea capaz de extender su aplicación al mundo subatómico. Investigación 3. Investigar sobre el funcionamiento de la cámara de niebla y su importancia para la detección de las partículas subatómicas. Buscar en el internet imágenes obtenidas en una cámara de niebla con su respectivo análisis. En plenaria el profesor plantea la importancia de la aplicación de estos principios que dieron lugar al descubrimiento de nuevas partículas como el neutrino, el positrón y más tarde el descubrimiento de la antimateria. Análisis 4. Analizar las fotografías obtenidas a partir de una cámara de niebla y con base en los principios de conservación interpretar el comportamiento de algunas partículas subatómicas y su interacción con el campo electromagnético. Concluir que las distintas propiedades de las partículas (masa, carga etc.) hacen posible su detección con la excepción del neutrino. Producto 5. Análisis de las fotografías empleando los principios de conservación. Evidencias de aprendizaje. Producto 5. Aplicación sistemática. Problema 4A Aplicaciones. Tubos de rayos catódicos en el cinescopio y el osciloscopio. 1 hora Análisis 5. Describir el funcionamiento del cinescopio de televisión y del osciloscopio en términos de las fuerzas variables que actúan sobre los electrones y de la energía que estas partículas transfieren a la pantalla. Analizar la correspondencia de la intensidad y frecuencia de los campos de fuerza con el cambio de posición de los puntos luminosos en la pantalla de estos dispositivos. Producto 6. Diagrama descriptivo del funcionamiento del cinescopio. Evidencias de aprendizaje. Producto 6. Problema 4B Aplicaciones. Fisión nuclear, ¿solución a nuestro problema de energía? 2 horas. Investigación 4. Investigar ¿Cómo se lleva a cabo este proceso? ¿Qué es la reacción en cadena ¿Por qué se obtiene energía? Las implicaciones tecnológicas de este proceso; como el proceso de enriquecimiento del Uranio. Sus riesgos e impacto ambiental. Aplicar los principios de

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conservación de la masa y la energía para predecir la cantidad de energía obtenida por cada reacción o bien por cada unidad de masa. Producto 7. Descripción del proceso y cálculo de la energía obtenida por una reacción de fusión nuclear. Evidencias de aprendizaje. Producto 7. Problema 4C Aplicaciones. Fusión nuclear, solución a nuestro problema de energía. 2 horas. ¿Cuál es la diferencia entre Fusión y Fisión Nuclear? ¿Cómo se lleva a cabo la fusión? Con estas y otras preguntas introducir al alumno al conocimiento de la fusión nuclear. Con la guía del profesor se debe llegar a una respuesta consensada por todo el grupo a cada una de las preguntas. Análisis 6. Explicar a partir de los cálculos correspondientes que el sol produce su energía por un proceso de fusión y no de combustión convencional. Establecer que la energía solar es en realidad energía de tipo nuclear. Investigar sobre los avances en el desarrollo de la tecnología que permita implementar el uso de la energía nuclear por procesos de fusión. Aplicar los principios de conservación de la masa y la energía para predecir la cantidad de energía obtenida en una reacción de fusión nuclear. Producto 8. Estimación del orden de magnitud de las energías obtenidas por fusión y por combustión convencional en el sol. 2. Evidencias de aprendizaje. Producto 8. Problema 4D Aplicaciones. Detectores de partículas. 1 hora. Investigación 5. Describir el funcionamiento de algunos de los siguientes detectores de partículas; contador de centelleo, contador Cerencov, contador Geiger, cámara de chispas, cámara de niebla, emulsiones fotográficas, con énfasis en la transformación de la energía. Análisis 7. Aplicar los principios de conservación para explicar e interpretar los registros obtenidos al emplear algunos de los detectores anteriores. Producto 9. Descripción del funcionamiento del detector e interpretación de su registro. Evidencias de aprendizaje. Producto 9. Evaluación del aprendizaje. 1 hora. Proyecto interdisciplinario. Ensayo acerca de los aceleradores de partículas, la Teoría de los Quarks y la próxima revolución de la Física.