物理學是研究宇宙中物質存在的基本形式、性質、運動和轉化、內部結構等方面，從而了解這些結構的組成成分及其相互作用、運動和轉化的基本規律的科學。
物理學的分支是根據物質存在和運動的不同形式劃分的。人們對自然的認識來源於實踐，隨著實踐的拓展和深入，物理學的內容也在拓展和深化。
隨著物理學各個分支的發展，人們發現物質的不同存在形式和不同運動形式之間存在聯系，於是物理學各個分支開始相互滲透。物理學已經逐漸發展成為壹個統壹的整體，其中所有的科學分支都彼此密切相關。
物理學家試圖找到所有物理現象的基本規律，從而統壹理解所有物理現象。雖然這種努力逐漸取得了進展，但還遠遠沒有達到這個目標。看來人們對客觀世界的探索和研究是永無止境的。
經典力學
經典力學是研究宏觀物體做低速機械運動的現象和規律的學科。宏觀是相對於原子等微觀粒子而言的；低速是相對於光速而言的。物體的空間位置隨時間的變化稱為機械運動。人們在日常生活和學習中首先直接接觸到的是宏觀的低速機械運動。
自古以來，由於農業生產需要確定季節，人們就進行天文觀測。16世紀後期，人們對行星圍繞太陽的運動進行了細致而精確的觀察。17世紀，開普勒從這些觀測中總結出行星繞太陽運動的三個經驗定律。幾乎與此同時，伽利略對落體和拋體進行了實驗研究，從而提出了關於機械運動現象的初步理論。
牛頓深入研究了這些經驗定律和初步的現象理論，發現了宏觀低速機械運動的基本規律，為經典力學奠定了基礎。亞當斯根據對天王星的詳細天文觀測和牛頓的理論預言了海王星的存在，並在天文觀測中發現了海王星。所以牛頓的力學和引力定律被普遍接受。
經典力學中的基本物理量是質點的空間坐標和動量:壹個力學系統在某壹時刻的狀態，用它的壹個質點在這壹時刻的空間坐標和動量來表示。對於壹個不受外界影響，不影響外界，不包括其他運動形式(如熱運動、電磁運動)的力學系統，其總機械能是每個質點的空間坐標和動量的函數，其狀態隨時間的變化由總能量決定。
在經典力學中，力學系統的總能量和總動量具有重要意義。物理學的發展表明，任何孤立的物理系統，無論如何變化，總能量和總動量都是不變的。這些守恒性質的應用範圍已經遠遠超出了經典力學的範疇，至今還沒有發現它們的局限性。
早在19世紀，經典力學已經成為物理學中壹個非常成熟的分支，包含著豐富的內容。比如:質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等等。經典力學的應用範圍涉及能源、航空、航天、機械、建築、水利、礦山建設和安全防護。當然，工程技術問題往往是綜合性問題，需要多學科的綜合研究才能徹底解決。
振動和波動是機械運動的常見形式。聲學是研究這種運動的產生、傳播、轉化和吸收的分支學科。人們通過聲波傳遞信息，很多物體不容易被光波和電磁波穿透，但聲波可以穿透；頻率極低的聲波可以傳播到大氣和海洋中很遠的地方，因此可以迅速傳遞地球上任何地方的地震、火山爆發或核爆炸的信息；高頻聲波和表面聲波已用於固體研究、微波技術、醫療診斷等領域；非常強的聲波已經用於工業加工等等。
熱學、熱力學和經典統計力學
熱學是研究熱的產生和傳導以及物質在熱狀態下的性質和變化的學科。人們早就有了冷熱的概念。熱現象的研究逐漸澄清了壹些關於熱的模糊概念(比如區分溫度和熱量)，並在此基礎上開始探索熱現象的本質和普遍規律。對熱現象壹般規律的研究叫做熱力學。到了19世紀，熱力學已經成熟。
物體有內部運動，所以有內能。19世紀的系統實驗研究證明，熱是物體內部無序運動的表現，叫做內能，以前叫做熱能。19世紀中期，焦耳等人通過實驗確定了熱和功的定量關系，從而確立了熱力學第壹定律:宏觀機械運動的能量和內能可以相互轉化。就壹個孤立的物理系統而言，無論能量形式如何相互轉化，總能量值都是不變的，所以熱力學第壹定律是能量守恒和轉化定律的壹種體現。
在卡諾研究成果的基礎上，克勞修斯等科學家提出了熱力學第二定律，表達了宏觀非平衡過程的不可逆性。舉個例子，如果壹個孤立物體的溫度因地而異，熱量就會從溫度較高的地方流向溫度較低的地方，最後達到各處溫度相同，也就是熱平衡的狀態。相反的過程是不可能的，即這個孤立的物體，內部各處溫度相同，不可能自動回到各處溫度不同的狀態。應用熵的概念，我們還可以把熱力學第二定律表述為:壹個孤立的物理系統的熵不會隨著時間的推移而減少，只會增加或保持不變。當熵達到最大值時，物理系統處於熱平衡狀態。
對熱現象本質的深入研究導致了統計力學。統計力學應用數學中的統計分析方法來研究大量粒子的平均行為。統計力學是理論物理的壹個重要分支，它根據物質的微觀組成和相互作用，研究由大量粒子組成的宏觀物體的性質和行為的統計規律。
非平衡統計力學所研究的問題是復雜的，直到20世紀中葉才取得很大進展。對於壹個包含大量粒子的宏觀物理系統，系統處於無序狀態的概率超過處於有序狀態的概率。孤立的物理系統總是傾向於從更有序的狀態到更無序的狀態。在熱力學中，這對應於熵的增加。
非平衡系統在平衡態附近的主要趨勢是向平衡態過渡。平衡態附近主要的非平衡過程是弛豫、輸運和漲落，這方面的理論也逐漸發展成熟。近20 ~ 30年來，人們對遠離平衡態的物理系統如耗散結構進行了廣泛的研究，取得了很大的進展，但仍有許多問題有待解決。
在壹定時期內，人們對客觀世界的認識總是有限的，認識到的只是相對真理，經典力學和建立在經典力學基礎上的經典統計力學也是如此。當經典力學應用於原子、分子和宏觀物體的微觀結構時，其局限性就顯露出來，從而發展了量子力學。相應的，經典統計力學也在量子力學的基礎上發展成了量子統計力學。
經典電磁學和經典電動力學
經典電磁學是研究宏觀電磁現象和客觀物體的電磁性質的學科。人們長期接觸電和磁的現象，知道磁棒有北極和南極。18世紀，發現電荷有兩種:正電荷和負電荷。電荷和磁極互相排斥，異性相吸。力的方向在電荷或磁極的連線上，力的大小與它們之間距離的平方成反比。在這兩點上類似於重力。18年底發現電荷可以流動，這就是電流。但是電和磁之間的聯系壹直沒有被發現。
在19世紀早期，奧斯特發現電流可以偏轉壹個小磁針。然後安培發現力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直方向都是互相垂直的。不久之後，法拉第發現，當磁棒插入線圈時，線圈中會產生電流。這些實驗表明電和磁之間有密切的關系。
電和磁之間的聯系被發現後，人們意識到電磁力的本質在某些方面與引力相似，但在另壹些方面則不同。為此法拉第引入了電力線的概念，認為電流在導線周圍產生磁力線，電荷在各個方向產生電力線，並在此基礎上產生了電磁場的概念。
現在人們認識到電磁場是物質的壹種特殊形式。電荷在其周圍產生壹個電場，這個電場帶著力作用於其他電荷。磁鐵和電流在其周圍產生壹個磁場，這個磁場作用於其他磁鐵和內部有電流的物體。電磁場也有能量和動量，是傳遞電磁力的介質，電磁力滲透整個空間。
19世紀下半葉，麥克斯韋總結了宏觀電磁現象的規律，引入了位移電流的概念。這個概念的核心思想是:改變電場可以產生磁場；改變磁場也能產生電場。在此基礎上，他提出了壹組表達電磁現象基本規律的偏微分方程。這組方程稱為麥克斯韋方程組，是經典電磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等於光速，這壹點後來被赫茲的實驗所證實。於是人們意識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現象的規律，肯定了光也是電磁波。
因為電磁場可以帶力作用於帶電粒子，所以壹個運動的帶電粒子同時受到電場和磁場的作用力。洛倫茲把電磁場對運動電荷的作用力歸結為壹個公式，人們稱之為洛倫茲力。描述電磁場基本規律的麥克斯韋方程組和洛侖茲力構成了經典電動力學的基礎。
其實發電機無非是利用電動力學的定律將機械能轉化為電磁能；電機無非是利用電動力學的定律將電磁能轉化為機械能。電報、電話、無線電和電燈都是經典電磁學和經典電動力學發展的產物。經典電動力學對生產力的發展有著重要的推動作用，從而對社會產生了普遍而重要的影響。
光學和電磁波
光學研究光的性質及其與物質的各種相互作用。光是電磁波。雖然可見光的波長範圍在電磁波中只占很窄的壹個波段，但是早在認識到光是電磁波之前，人們就對光進行了研究。
17世紀，關於光的本質提出了兩種假說:壹種假說認為光是由許多粒子組成的；另壹種假設認為光是壹種波。19世紀，光和波的獨特幹涉現象被實驗確定，後來的實驗證明光是電磁波。20世紀初，人們發現光具有粒子的性質。人們深入微觀世界後，才意識到光具有波粒二象性。
光可以被物質發射、吸收、反射、折射和衍射。當所研究的物體或空間的尺寸遠大於光波的波長時，光可視為沿直線的光；但當研究深入到現象的細節，其空間範圍幾乎與光波波長相同時，就必須考慮光的波動。在研究光與微觀粒子的相互作用時，還要考慮光的粒子性。
光學方法是研究天體、微生物、分子和原子結構的壹種非常有效的方法。利用光的幹涉效應，可以進行非常精確的測量。物質發出的光攜帶著物質內部結構的重要信息，比如原子發出的光譜就與原子結構密切相關。
近年來，受激輻射機制產生的激光可以達到很高的功率，光束的張角很小，其電場強度甚至可以超過原子。激光的使用開辟了非線性光學等重要研究方向，激光在工業技術和醫學上有許多重要應用。
目前人工方法產生的電磁波波長已經達到長幾公裏，短不到百分之壹厘米，覆蓋近20個數量級。電磁波因其速度快、頻帶寬而成為傳遞信息的強有力工具。
在經典電磁學的建立和發展過程中，形成了電磁場的概念。在隨後的物理學發展中，場成為了壹個非常基本和普遍的概念。在現代物理學中，場的概念已經遠遠超出了電磁學的範疇，成為物質的壹種基本的、普遍的存在形式。
狹義相對論和相對論力學
在經典力學取得巨大成功之後，人們習慣於把壹切現象都歸結於機械運動。電磁場概念提出後，人們假設有壹種叫做“以太”的介質，它滲透整個宇宙和所有物體，絕對不動，沒有質量，對物體的運動不產生任何阻力，不受引力的影響。Tai可以看作是絕對靜止的參照系，所以相對於以太勻速運動的參照系都是慣性參照系。