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一、基础物理学
(一)热力学三定律
热、电磁、光等现象和机械运动都是能量的不同形式，可以相互转化，并且遵循能量守恒定律。
热力学第一定律：热力学系统如不吸收外部热量却对外做功，须消耗内能;不可能造出既不需外界能量又不消耗系统内能的永动机。
热力学第二定律：热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功，总要把一部分传给低温热源。根据这个定律，任何热机的效率都不可能达到100%。
热力学第三定律：在科学家研究固体、液体、分子和原子的自由能的基础上，能斯特提出，在温度达到绝对零度(-273摄氏度)时，物质系统(分子或原子)无规则的热运动将停止。绝对零度不可能达到，但是可以无限趋近。
(二)电磁理论
1864年，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并预言光是一种电磁波。1888年，赫兹发现了电磁波。麦克斯韦的电磁理论成为描述电磁运动的基本理论，被称为自然科学的第三次理论大综合。
二、现代物理学
现代物理学通常是指20世纪初开始发展起来的物理学，包括相对论、量子力学、原子和原子核物理学、粒子物理学等，是物理学的重要组成部分。
(一)粒子物理学
粒子物理学研究比原子核更深层次的微观世界，物质的结构性质和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。
迄今，人们已认识到构成物质的最小组成为三种粒子：轻子、夸克、媒介子。
作用在物质上的所有的力可归结为三种：引力、强力、统一的电弱力。(传统上将力分为四种：引力、电磁力、强力和弱力。上世纪60年代，物理学家发现弱力和电磁力是可以统一起来的，它们是一种事物的不同侧面，统称电弱力)
(二)相对论
相对论是爱因斯坦创立的物理学理论，描述物体的高速运动和相关的时空性质。相对论引发了现代物理学革命，同时也深刻地影响了人类的时空观。相对论包括狭义相对论和广义相对论。
(三)量子力学
量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。
三、现代宇宙学
广义相对论是现代宇宙学研究的理论基础。
1.多普勒效应物理学是测定物体运动速度的有力手段。利用光波波长的相对移动量与相对运动速度成正比来测量物体的运动速度。科学家利用多普勒效应证实了宇宙是不断膨胀的大爆炸理论。
2.通过电磁波传递宇宙的各种信息，天文学家们可以对宇宙的结构、起源和演化进行研究。比如，利用光学望远镜可以接收到可见光传来的天体信息;利用射电望远镜可以接收天体传来的射电波;利用装置着探测天体的红外线、紫外线、X射线和丁射线等各种仪器的卫星、高能天文台，接收全部电磁波传来的信息，研究不同类型的天体状况，分析宇宙的结构和它们的演化过程。
3.黑洞：所谓“黑洞”，是引力场很强的一种天体，就连光也不能逃脱出来。恒星的半径小到一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。
4.在20世纪40年代末，美国物理学家伽莫夫等提出了大爆炸宇宙模型。认为，宇宙起源于160亿年前的一次大爆炸。在大爆炸后，四种基本力，即引力、强力、弱力和电磁力逐一地分化出来。后来，物质形态依次演化为原子、气态物质、各种恒星体系，最后发展成今天的宇宙。
四、四大生物工程技术
细胞是一切生命体的基本单位;蛋白质是构成生物体的主要成分，是构成细胞的基本物质材料;核酸同生物的生长、发育、繁殖、遗传和变异有着密切的关系。现代生物发展新技术的主要内容就是生物工程技术，它包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程四个方面。
| 原理 | 结果 | 应用 | |
| 基因工程 | DNA重组转基因 | 基因改变改良生物品种和创造新品种 | 胰岛素、杂交水稻、转基因食品 |
| 细胞工程 | 细胞融合、核质移植染色体或基因移植 | 创造新物种 | 克隆技术、染色体工程、干细胞工程 |
| 发酵工程(微生物工程) | 微生物的特定功能 | 酱油、醋、味精、抗生素 | |
| 酶工程 | 酶的催化功能 | 蛋白酶、加酶洗衣粉 |
“杂交水稻之父”——袁隆平
关键词二：转基因食品
转基因食品是利用现代分子生物技术，将某些生物(包括动物和植物)的基因转移到其他物种中去，改造生物的遗传物质，使其在形状、营养品质、消费品质等方面向人们所需要的目标转变。
关键词三：克隆技术
克隆技术是利用生物技术由无性生殖产生与原个体有完全相同基因组的后代的过程。科学家把人工遗传操作动物繁殖的过程叫克隆，这门生物技术叫克隆技术，含义是无性繁殖。
关键词四：干细胞技术
干细胞技术又称为再生医疗技术，是指通过对干细胞进行分离、体外培养、定向诱导、甚至基因修饰等过程，在体外繁育出全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官，并最终通过细胞组织或器官的移植实现对临床疾病的治疗。
五、能源技术与节能减排
能源是指人类能够获取利用的能量资源。
能源按其来源可分为三类：第一类是来自地球以外的太阳能，包括由太阳能转化形成的化石资源(煤、石油、天然气等)、生物质能、水能、风能、海洋能等资源。第二类是地球本身蕴藏的能量资源，主要是核裂变能、核聚变能及地热能资源。第三类是地球和月球、太阳等天体之间有规律的运动所形成的能源，如潮汐能等。
按其能否重复产生，又可分为可再生能源和非再生能源。可连续再生、连续利用的能源称为可再生能源，如风能、水能、太阳能等。经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源，称为非再生能源，如原煤、原油、天然气等。
能源分为传统能源和新能源两种。新能源最主要的特点在于污染小、储量大。关注新能源技术，是我国推行低碳经济的一个重要方面。
| 原理 | 特点 | 应用 | 现状(不足) | |
| 太阳能 | 光电效应或者光化学效应 | 普遍、无害、量大、长久 | 太阳能电池
光伏产业 |
太阳能利用装置效率低 |
| 风能 | 风能—不稳定的电能—化学能—电能 | 资源量大 | 风力发电 | 地域性、风量不稳定 |
| 生物质能 | 燃烧 | 分布广、储量大 | 我国以“秸秆能源”为代表 | 热值及热效率低 |
| 氢能 | 燃烧 | 燃烧值高、无污染 | 工业生产、液态氢可作火箭燃料 | 制氢成本高 |
| 可燃冰 | 燃烧 | 燃烧值高、污染小、数量大 | 目前主要在开采阶段 | 储存和利用难，产生的甲烷废气可能产生温室效应 |
| 核能 | 核裂变 | 无污染 | 核电厂利用核裂变发电 | 发电厂热效率低，核废料处理困难 |
1.在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。
2.风力机的两个发展方向：大型化——风轮直径长达100米;小型化——风轮仅有0.8米。
3.丹麦是世界风能发电大国和发电风轮生产大国，是世界上的“风车大国”。
4.2009年9月，中国在青藏高原发现冻土层可燃冰。
能源动态链接
关键词一：节能减排
国家主席向国际社会承诺，争取到2020年我国非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右;国务院总理主持召开国务院常务会议，决定到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%。
关键词二：清洁能源
此次评选的“十大能源新闻中”，涉及风电、水电、核电等清洁能源的新闻有四条，分别是：
1.我国第一座千万千瓦级风电示范基地——甘肃酒泉风电基地开工建设。
2.浙江三门、山东海阳、广东台山等三个核电项目先后开工。
3.青海拉西瓦水电站6号机组投产标志着我国电力装机突破了8亿千瓦。
4.十一届全国人大常委会第十二次会议表决通过关于修改可再生能源法的决定。
六、材料工程
材料是人类能用来制作有用物件的物质。新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。
新材料按组分，有金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分，有结构材料和功能材料两类。
功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应，以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。
(一)半导体材料
半导体材料是电导率介于导体与绝缘体之间的功能材料，是当代电子信息领域中最重要的新材料。
半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。
单晶硅是主要的半导体材料。近年来开发的低电耗的化合物砷化镓很可能成为继硅之后第二种最重要的半导体材料。
(二)超导材料
荷兰物理学家昂尼斯发现，某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量。这一现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。
零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。
超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。
根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。高温超导体，它通常是指在液氮温度(77K)以上超导的材料。因此这里所说的“高温”，仍然远低于冰点0℃。
(三)纳米材料
纳米是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一。当物质到纳米尺度以后，大约是在1～100纳米这个范围之间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。纳米材料，是指结构单元的尺寸介于1～100纳米范围之间的材料。其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米材料是纳米科技的基础，功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域，它对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域，将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。
(四)能源材料
能源材料往往指那些正在发展的、能支持建立新能源系统满足各种新能源及节能技术的特殊要求的材料。
目前比较重要的新能源材料有：
(1)裂变反应堆材料，如铀、钚等核燃料、反应堆结构材料、慢化剂、冷却剂及控制棒材料等。
(2)聚变堆材料：包括热核聚变燃料、第一壁材料、氚增值剂、结构材料等。
(3)高能推进剂：包括液体推进剂、固体推进剂。
(4)燃料电池材料：如电池电极材料、电解质等。
(5)氢能源材料：主要是固体储氢材料及其应用技术。
(6)超导材料：传统超导材料、高温超导材料及在节能、储能方面的应用技术。
(7)太阳能电池材料。
(8)其它新能源材料：如风能、地热、磁流体发电技术中所需的材料。
新材料在国防建设上作用重大。例如，超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒万亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃，推力可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现等等。
