在自然科学中，物理学是中心学科。理论上，化学、生物学和医学本质上也遵守物理学规律，所不同的只是研究对象和侧重点而已。随着实践的累积和研究的进展，物理学的范式经历了多次的转换。
1．从亚里士多德到伽利略
伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei，1564年2月15日—1642年1月8日），意大利天文学家、物理学家和工程师、欧洲近代自然科学的创始人。伽利略被称为“观测天文学之父”“现代物理学之父”“科学方法之父”“现代科学之父”。
伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律，接着在1585年因家庭经济困难辍学。离开比萨大学期间，他深入研究古希腊学者欧几里得，阿基米德等人的著作。他根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式，因此声名大振。与此同时，他对亚里士多德的许多观点提出质疑。
在历史上伽利略是最早对动力学作了定量研究的人。1589—1591年，他对物体的自由下落运动作了细致的观察，从实验和理论上否定了统治两千年的亚里士多德的落体运动观点（重物比轻物下落快），指出如忽略空气阻力，重量不同的物体在下落时同时落地，物体下落的速度和它的重量无关。根据伽利略晚年的学生维维亚尼（Vincenzo Viviani，1622年4月5日—1703年9月22日）的记载，落体实验是在比萨斜塔上进行的，但这件事在伽利略著作中没有记录，因而较普遍认为此事不可靠。有历史记载的第一个完成这类试验的人是荷兰人斯蒂文（Simon Stevin，1548年—1620年），在《自然科学史》中记载，斯蒂文在1586年使用2个重量不同的铅球完成了这个试验，并证明了亚里士多德的理论是错误的。在斯台文试验的几个世纪以后，阿波罗15号的宇航员大卫·斯科特（David Randolph Scott，1932年6月6日— ）1971年8月2日在无空气月球表面上使用一把锤子和一根羽毛重复了这个试验，证明且让地球上的电视观众亲眼看到了两个物体同时掉落在月球表面上。
伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。伽利略还对物体在斜面上的运动，抛射体的运动等做过实验和观察。在这些研究基础上他提出了加速度的概念及其数学表达式。他曾非正式地提出惯性定律和物体在外力作用下运动的规律，提出运动相对性原理（现称伽利略相对性）。相对性原理是为答复对哥白尼体系的责难而提出的，但原理的意义远不止于此，它第一次提出惯性参考系（惯性系）的概念，被爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。这些为牛顿正式提出牛顿运动定律奠定了基础。伽利略还提出过合力矩定理，抛射体运动规律。在经典力学的建立上伽利略可以说是牛顿的先驱。
伽利略的成就非常广泛，但我们的重点并不在这些具体的科学发现上，我们的重点是他在逻辑方法上的颠覆。亚里士多德的力学建立在一系列主观臆测的前提条件下，大多数是定性的，而伽利略的力学建立在严格的实验基础上，且是严格定量的。爱因斯坦评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”这个评价是十分恰当的。
