經典物理學基礎的經典力學，不適用於高速運動的物體和微觀領域。相對論解決了高速運動問題；量子力學解決了微觀亞原子條件下的問題。相對論顛覆了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“時間和空間的相對性”、“四維時空”、“彎曲空間”等全新的概念。狹義相對論提出於1905年，廣義相對論提出於1915年（愛因斯坦在1915年末完成廣義相對論的創建工作，在1916年初正式發表相關論文）。
相對論的提出是物理學領域的一次重大革命。它否定了經典力學的絕對時空觀，深刻地揭示了時間和空間的本質屬性。它也發展了牛頓力學，將其概括在相對論力學之中，推動物理學發展到一個新的高度。
能量守恒定律
能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它隻能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量不變。這就是能量守恒定律，如今被人們普遍認同。
能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學到地質、生物，大到宇宙天體。小到原子核內部，隻要有能量轉化，就一定服從能量守恒的規律。從日常生活到科學研究、工程技術，這一規律都發揮著重要的作用。人類對各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風能、核能等的利用，都是通過能量轉化來實現的。能量守恒定律是人們認識自然和利用自然的有力武器。
浮力
浮力指物體在流體(包括液體和氣體)中，上下表麵所受的壓力差。公元前245年，阿基米德發現了浮力原理。
漂浮於流體（液體或氣體）表麵或浸沒於流體之中的物體，受到各方向流體靜壓力的向上合力。其大小等於被物體排開流體的重力。在液體內，不同深度處的壓強不同。物體上、下麵浸沒在液體中的深度不同，物體下部受到液體向上的壓強較大，壓力也較大，可以證明，浮力等於物體所受液體向上、向下的壓力之差。
例如，從井裏提一桶水，在未離開水麵之前比離開水麵之後要輕些，這是因為桶受到水的浮力。
鋼鐵製造的輪船，由於船體做成空心的，使它排開水的體積增大，受到的浮力增大，這時船受到的浮力等於自身的重力，所以能浮在水麵上。浸沒在水中的潛水艇排開水的體積，無論下潛多深，始終不變，所以潛水艇所受的浮力始終不變.潛水艇的上浮和下沉是靠壓縮空氣調節水艙裏水的多少來控製自身的重力而實現的。
大氣壓（圖504）
1654年格裏克在德國馬德堡作了著名的馬德堡半球實驗，有力的證明了大氣壓強的存在，這讓人們對大氣壓有了深刻的認識，但大氣壓到底有多大人們還不清楚。11年前意大利科學家托裏拆利在一根1米長的細玻璃管中注滿水銀倒置在盛有水銀的水槽中，發現玻璃管中的水銀大約下降了24厘米後就不再下降了。這24厘米的空間無空氣進入，是真空。托裏拆利據此推斷大氣的壓強就等於水銀柱的長度，這就是著名的托裏拆利實驗。
大氣壓強不但隨高度變化，在同一地點也不是固定不變的，通常把1.01325×105 Pa的大氣壓強叫做標準大氣壓強。它相當於760mm水銀柱所產生的壓強。
活塞式抽水機和離心泵，都是利用大氣壓，把水抽上來，因為大氣壓有一定的限度，因而抽水機抽水的高度也有一定的限度，不超過10.3米。
在氣體和液體中，流速越大的位置壓強越小。飛機的升力：機翼上方的空氣流速大，壓強小；下方的空氣流速小，壓強大，這一壓強差產生壓力差，是飛機獲得豎直向上的升力。
光電效應（圖505）
光電現象由德國物理學家赫茲於1887年發現，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。科學家們對光電效應的深入研究對發展量子理論起了根本性的作用。
光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化，也就是光能量轉換成電能。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應。這一現象是1887年赫茲在實驗研究麥克斯韋電磁理論時偶然發現的。
1888年，德國物理學家霍爾瓦克斯（Wilhelm Hallwachs)證實是由於在放電間隙內出現荷電體的緣故。1899年，J·J·湯姆孫通過實驗證實該荷電體與陰極射線一樣是電子流。
1899—1902年間，勒納德對光電效應進行了係統研究，並命名為光電效應。1905年，愛因斯坦在《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》一文中，用光量子理論對光電效應進行了全麵的解釋。1916年，美國科學家密立根通過精密的定量實驗證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論。
光電效應說明了光具有粒子性。相對應的，光具有波動性最典型的例子就是光的幹涉和衍射。
磁場的發現
磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。
磁現象是最早被人類認識的物理現象之一，指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的，地球，恒星(如太陽)，星係（如銀河係），行星、衛星，以及星際空間和星係際空間，都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。
在現代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反。
法拉第與電磁感應（圖506）
1831年8月，法拉第在軟鐵環兩側分別繞兩個線圈，其一為閉合回路，在導線下端附近平行放置一磁針，另一與電池組相連，接開關，形成有電源的閉合回路。實驗發現，合上開關，磁針偏轉；切斷開關，磁針反向偏轉，這表明在無電池組的線圈中出現了感應電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態效應。緊接著他做了幾十個實驗，把產生感應電流的情形概括為5 類：變化的電流 ，變化的磁場，運動的恒定電流，運動的磁鐵，在磁場中運動的導體，並把這些現象正式定名為電磁感應。
電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它顯示了電、磁現象之間的相互聯係和轉化，對其本質的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯係，對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。電磁感應現象在電工技術、電子技術以及電磁測量等方麵都有廣泛的應用。
法拉第最偉大發現的關鍵是他提出的“力場”。在1831年，他作出了關於力場的關鍵性突破，永遠改變了人類文明。邁克爾·法拉第的力場是驅動現代文明的動力，從電動推土機到如今的計算機、互聯網還有iPod都源於力場的發現。
麥克斯韋和電磁理論（圖507）
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，英國物理學家、數學家。科學史上，稱牛頓把天上和地上的運動規律統一起來，是實現第一次大綜合，麥克斯韋把電、光統一起來，是實現第二次大綜合，因此應與牛頓齊名。1873年出版的《論電和磁》，也被尊為繼牛頓《原理》之後的一部最重要的物理學經典。沒有電磁學就沒有現代電工學，也就不可能有現代文明。
麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學、統計物理學、光學、力學、彈性理論方麵的 研究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學、磁學、光學統一起來，是19世紀物理學發展的最光輝的成果，是科學史上最偉大的綜合之一。他預言了電磁波的存在。這種理論遇見後來得到了充分的實驗驗證。他為物理學樹起了一座豐碑。造福於人類的無線電技術，就是以電磁場理論為基礎發展起來的。
電磁理論：自人們發現電現象、磁現象、電磁感應現象以來，對電、磁和電磁感應現象進行了深入廣泛的研究，發現了電磁之間的關係及其規律，形成了完整、係統的電磁理論。電磁理論促進了科學技術的發展，有力的推動了社會的進步。電磁理論認為：變化著的電場伴隨變化著的磁場，變化著的磁場也伴隨變化著的電場。
麥克斯韋電磁場理論的核心思想是：變化的磁場可以激發渦旋電場，變化的電場可以激發渦旋磁場；電場和磁場不是彼此孤立的，它們相互聯係、相互激發組成一個統一的電磁場。麥克斯韋進一步將電場和磁場的所有規律綜合起來，建立了完整的電磁場理論體係。這個電磁場理論體係的核心就是麥克斯韋方程組。
蒸汽機的發明
蒸汽機是將蒸汽的能量轉換為機械功的往複式動力機械。蒸汽機的出現曾引起了18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，後來才逐漸讓位於內燃機和汽輪機等。
世界上第一台蒸汽機是由古希臘數學家亞曆山大港的希羅於1世紀發明的汽轉球，不過它隻不過是一個玩具而已。 約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋後製造了第一台蒸汽機的工作模型。約與此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意。1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特製造了早期的工業蒸汽機，他們對蒸汽機的發展都做出了自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船。
瓦特並不是蒸汽機的發明者，在他之前，早就出現了蒸汽機，即紐科門蒸汽機，但它的耗煤量大、效率低。瓦特運用科學理論，逐漸發現了這種蒸汽機的毛病所在。從1765年到1790年，他進行了一係列發明，比如分離式冷凝器、汽缸外設置絕熱層、用油潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連杆機構、離心式調速器、節氣閥、壓力計等等，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，最終發明出了現代意義上的蒸汽機。
射線的發現
各種射線，由於電離密度不同，生物效應是不同的，所引起的變異率也有差別。為了獲得較高的有利突變，必須選擇適當的射線，但由於射線來源、設備條件和安全等因素，目前最常用的是γ射線和x射線。
1.X射線（圖509）
由德國物理學家W.K.倫琴於1895年發現，故又稱倫琴射線。波長小於0.1埃的稱超硬X射線，在0.1－1埃範圍內的稱硬X射線，1－10埃範圍內的稱軟X射線。
1895年愛迪生研究了材料在X光照射下發出熒光的能力，發現鎢酸鈣最為明顯。1896年3月愛迪生發明了熒光觀察管，後來被用於醫用X光的檢驗。
工業中用來探傷。長期受X射線輻射對人體有傷害 。X射線可激發熒光、使氣體電離、使感光乳膠感光，故X射線可用電離計、閃爍計數器和感光乳膠片等檢測。晶體的點陣結構對X射線可產生顯著的衍射作用，X射線衍射法已成為研究晶體結構、形貌和各種缺陷的重要手段。
2.γ射線(伽馬射線)
在20世紀70年代首次被人類觀測到的。
波長短於0.2埃的電磁波。由放射性同位素如60Co或137Cs產生。是一種高能電磁波，波長很短（0.001-0.0001nm），穿透力強，射程遠，一次可照射很多材料，而且劑量比較均勻，危險性大，必須屏蔽（幾個cm的鉛板或幾米厚的混凝土牆）。
γ射線是原子衰變裂解時放出的射線之一。此種電磁波波長很短，穿透力很強，又攜帶高能量，容易造成生物體細胞內的DNA斷裂進而引起細胞突變、造血功能缺失、癌症等疾病。但是它可以殺死細胞，因此也可以作殺死癌細胞，以作醫療之用。
3.α射線（圖508）
盧瑟福1898年發現鈾和鈾的化合物所發出的射線有兩種不同類型：一種是極易吸收的，他稱之為α射線；另一種有較強的穿透能力，他稱之為β射線。
α射線也稱為“甲種射線”。是放射性物質所放出的α粒子流。它可由多種放射性物質（如鐳）發射出來。α粒子的動能可達幾兆電子伏特。從α粒子在電場和磁場中偏轉的方向，可知它們帶有正電荷。
由於α粒子的質量比電子大得多，通過物質時極易使其中的原子電離而損失能量，所以它能穿透物質的本領比β射線弱得多，容易被薄層物質所阻擋，但是它有很強的電離作用。從α粒子的質量和電荷的測定，確定α粒子就是氦的原子核。
4. β射線
由放射性同位素（如32P、35S等）衰變時放出來帶負電荷的粒子。在空氣中射程短，穿透力弱。在生物體內的電離作用較γ射線、x射線強。β射線是高速運動的電子流0/-1e，貫穿能力很強，電離作用弱，本來物理世界裏沒有左右之分的，但β射線卻有左右之分。在β衰變過程當中，放射性原子核通過發射電子和中微子轉變為另一種核，產物中的電子就被稱為β粒子。在正β衰變中，原子核內一個質子轉變為一個中子，同時釋放一個正電子，在“負β衰變”中，原子核內一個中子轉變為一個質子，同時釋放一個電子，即β粒子。
5. 紫外光
或是稱為紫外線，是一種穿透力很弱的非電離輻射。核酸吸收一定波長的紫外光能量後，呈激發態，使有機化合物加強活動能力，從而引起變異。可用來處理微生物和植物的花粉粒。