4物理學和機械學方麵
宋應星在寫作《天工開物》時，對一些物質的物理性能和一些機械的物理作用進行了探索。例如，他指出各地鹽場的鹽，同是一升，但重量不一；同是一立方寸的金、銀、銅，重量也不同。這裏就提出了比重的問題。書中記述了船身大小同載重量的關係，船舵大小同轉運力的關係，表明宋應星對於力距、重力以及麵積同壓力的關係等問題，已有了一定的理解。
明末手工業中已廣泛使用簡單的機械。《天工開物》中繪有許多機械構造圖，記載了不少發明創造，如機械設計上用連續運動代替間歇運動以提高生產效率，在機械傳動方麵發展了繩索傳動、鏈條傳動和連杆傳動等。“乃服”卷記載的腳踏式紡車和花機等機械，結構複雜，在當時世界上居於先進地位。以明代的絲織技術來說。《天工開物》所總結的就有十幾種織造工藝，生產各種花色的綾、羅、綢、緞、錦等。留下來的明代的精美織品，至今還使人們讚歎不已。
明代的某些機械已經是近代機器的雛形。例如“粹精”卷介紹了“一舉而三用”的水碓，這是一種利用水力來磨舂穀物的機械，它“激水轉輪，頭一節轉磨成麵，二節運碓成米，三節引水灌於稻田”。這個水動裝置具備了動力機、傳動機和工具機三個部分，所以已經是近代機器的雛形。“作鹹”卷記載的打井機械，有一種鐵錐，能把石山不斷地衝鑿成孔，每鑿進數尺，用竹竿接長，繼續鑿進，這種工具可以說是近代井鑽的雛形。這是世界鑽井史上最早的資料之一。由於當時的中國，封建製度還嚴重地阻礙著社會生產力的發展，所以這些先進機械的出現隻是個別的現象，得不到廣泛的應用和發展。
宋應星科技研究的幾個特點
科技巨著《天工開物》的寫成，不是偶然的。明朝時社會生產力有所發展，農業特別是手工業生產有明顯增長，工場規模擴大了，工商城鎮多起來了，國內交通相當便利，海外貿易也隨著航海技術的發達而開展起來，這一切，都是有利於科學技術交流的客觀條件。宋應星關心國計民生，反對空談，不為功名利祿所束縛，在一定程度上衝破了所謂“上智下愚”的剝削階級偏見，重視生產勞動，比較地接近勞動人民，這些主觀條件，使他能在科技研究方麵走上正確的途徑。與此相聯係，宋應星的科技研究工作具有這樣幾個特點和優點。
其一，重視實地考察和實踐：宋應星在《天工開物》的序言中表示了對那些食古不化、徒有虛名、不務實際的人的鄙視。他說，世上一些所謂“聰明博學”者，往往對常見的棗花梨花還分不清楚，卻胡亂猜測古書上所記楚昭王看到的萍實是什麼樣子，連鑄鍋的模型都很少接觸，卻妄談春秋時候的寶鼎，這種人是不足效法的。他認為要進行研究，不能隻靠別人說的和寫的。他指出，明代中原統一，比東晉、南宋時國內分裂的局麵好得多，從雲南到遼東，從嶺南到燕北，交通暢通，“為方萬裏中，何事何物不可見見聞聞”。因此，他為了了解各項生產技術，盡可能進行實地考察。如為了研究紡織生產，他走訪了許多紡織業工場作坊，仔細觀察各種機械的結構尺寸和操作方法，畫下了多幅生產圖和機械圖，而且弄清了從養蠶、繅絲、種棉到紡織成品的來龍去脈。通過仔細的觀察，他對蠶蛹變成蠶蛾，破繭而出，雌雄交尾，一隻雌蛾產卵約二百餘粒等等，連同時間變化，作了生動具體的描述。
在介紹種蔗經驗時，宋應星強調要“試驗土色”，要親嚐土味，味苦的不宜種蔗。但山裏河流上遊的壩地，即使土味甜也不行，因為山氣寒冷，溫度不適宜。最好是陽光充足的下流河壩地，要沙壤土，不要黃泥土，等等。這都是他經過實地考察而總結出來的蔗農多年積累下來的有用經驗。
宋應星在“膏液”卷中，記下了經過試驗的十多種榨油原料的出油率。又說，“其他未窮究試驗”的，還有待以後補記。他在“佳兵”卷中提到古書上講的，烽火台上狼糞燒的煙能迎風直上，江豚骨灰能逆風燃燒；他認為對這種傳聞不能輕易下結論，“皆須試見而後詳之”。可見，他對於沒有試驗過的東西，是采取慎重態度的。
其二，請教有豐富實踐經驗的勞動者：宋應星在《天工開物》中一再讚頌直接生產者的創造性勞動。他表示：上古神農氏有無其人雖不得而知，但那些最早種植五穀、培育良種的“先農”，的確配得上神農的稱號。他欽佩地說：耕田施肥要掌握好氣候變化，“在老農心計也”；江南農民創造的“水碓之法巧絕”；絲織工匠織出的花色“人巧備矣”。他還讚揚老采煤工對地下礦藏“從土麵能辨有無之色”。
宋應星經常到各地農村請教老農，到手工業生產現場走訪工匠師傅，這樣，才能對各種生產過程的細節、工藝要點、許多機械的構造和性能，以及生產中呈現出來的物理作用和化學變化等，有比較深切的了解，他甚至還了解到一些工藝技術的秘訣。例如，用紅花染過的絲綢如要褪色，可將所染絲綢浸濕，滴上幾十點堿水或稻灰水，紅色就會退淨，將所得色水用綠豆粉吸收起來，再用來染紅色，就不會褪色了’。這種方法“染家以為秘訣，不以告人”。在封建行會習氣濃厚、工場主嚴格保守技術秘密的情況下，宋應星能了解到一些技術秘訣，這正是他不恥下問，在虛心求教於工匠方麵做了深入細致的工作的結果。
其三，注重實用：宋應星對於同廣大人民生活有密切關係的產品和技術，記述較詳細；而對於專供達官貴人享受的用品，則記述簡略。例如，他詳述了供多數人食用的水稻品種，最後說，“香稻一種，取其芳氣，以供貴人，收實甚少，滋益全無，不足尚也”。他重視廣大人民穿著的布衣、棉衣，而對皇帝穿的“龍袍”，隻說比普通織品多費工本數十倍，至於如何製作，則以“不可得而詳考”一筆帶過。他對於普通人“日用必需”的杯盤等器皿的生產，記述頗詳；而對於“不適實用”的供擺設的瓷器則講得很簡略。在述及專供皇家用的琉璃瓦“其土必取於太平府”(今安徽當塗、蕪湖一帶)時，他加了一條抨擊統治者的夾注，指出製瓦和造皇陵，都要取土於其地，舟運三千裏方達京師，承運的官吏除了摻沙作偽，一路上拉民夫，搶民船，“雇役擄舡之擾，害不可極”。關於“窯變”的附錄中，他記載了正德年間(1506～1521)陶瓷工匠因為造不出供皇帝用的一種叫“宣紅”的瓷器，以致“身家俱喪”，甚至跳入窯中“自焚”的悲劇，從而有力地揭露了封建統治者驕奢淫逸的罪惡。可以看出，宋應星注重實用技術，是同關心民間生活聯係在一起的。
其四，重視數據：由於封建製度的束縛和輕視生產技藝的儒學傳統的影響，在我國古代，科技著作不僅數量少，而且大都缺乏具體的數據。而掌握數據，是使研究內容具有科學性的條件之一。《天工開物》中記錄了一百三十多項技術經濟數字，這就增強了本書的科學價值。這些數字包括農業方麵的農時、田間管理、單位麵積產量，手工業方麵的各種生產工具的大小尺寸、材料消耗、使用壽命、材料配方、經濟效率以及不同物質的物理性能，等等。例如書中所記各種銅鋅合金的配方，至今仍有參考價值；特別是黃銅配方比例，同現代采用的配方非常接近。當然《天工開物》中所記的不少數字並不一定都精確，但這些記述足以說明宋應星對數據的重視。而且，這些技術經濟數字是古代勞動人民長期積累的生產經驗的總結，是了解我國古代工農業生產技術發展水平的重要資料。
其五，獨立思考，著眼於發展：宋應星寫《天工開物》，不是采錄舊著，彙編成書，也不是有聞必錄，述而不作，而是以直接的實地考察為主，獨立地進行艱苦的探索和認真的研究，有分析、有鑒別地記錄和總結當代的生產技術。上述許多事例說明，正因為以實踐經驗為依據，又經過獨立思考和研究，才能有所發現，有所創見。
另一方麵，宋應星也重視前人研究成果和別人的有用經驗。例如，他在寫作中就參考了李時珍的《本草綱目》和王灼的《糖霜譜》等著作。他還留心外國的技術。《天工開物》中曾經提到朝鮮的紡織、榨油技術和海船的製造，日本的製刀、造紙和造船，波斯(今伊朗)所生產的一種叫“波斯礬”的黃礬，以及葡萄牙人製造的“佛朗機”(炮)和荷蘭人製造的“紅夷炮”等。
對於生產技術，宋應星總是著眼於發展和新的發明創造。例如，他注意到兵器製造的“日盛月新”，並且認為人們的“巧思”是沒有止境的。他還高興地提到金屬冶煉技術的“日異而月新”，提到製曲方劑的“配合日新”，不斷改進。關於陶瓷器皿，他認為，雖然已經製作得很精美，也不會停滯不前的。關於將自然物加工為人類所用的情況，他說：“其道寧終秘也”；這裏透露了探索自然奧秘的思想。從這些話裏可以看出，宋應星已經意識到，人類的認識是不斷向前發展的，生產技術的進步是沒有止境的。
其六，駁斥迷信：科學和迷信從來是對立的。宋應星根據生產實踐和實地考察，指出了一些迷信傳說的虛妄。如在“乃粒”卷中，他針對有人因稻災而“反怨鬼神”，指出種子帶病是水稻發病的一個原因，這是“祟在種內”，並非鬼神作怪。對於人們所說的能夠燒毀稻穗的“鬼火”，他雖然還不知道這是磷火，但他否定有所謂“鬼火”，認為不過是墳墓中被水浸爛的棺木所發出來的“火子”，這種解釋明顯地表達了反對迷信的精神。他還指出，所謂“有清官感召”而使珍珠增產，這是謬妄無稽之談；並且揭穿了道家巫士借煉丹術以騙取錢財的行為。
在肯定宋應星在科技研究工作中的特點即優點的同時，也應該指出，由於曆史條件和科學水平的限製以及個人認識上的不足，《天工開物》的內容也存在這樣那樣的缺點和錯誤。例如，他不知道先秦古籍中出現的“麻”就是俗稱火麻的大麻，卻推測為“其種已滅”等等。見於《尚書》的“桌麻”，古代泛指麻類，他卻又臆斷為是後來的棉花。又如，說“江南麥花夜發，江北麥花晝發”；說礦區耕墾後鐵礦會“逐日生長，愈用不窮”，這都不符合事實。至於說珍珠是在蚌腹內“映月成胎”而成，寶玉是“映月精光而生”，死人嘴裏含著上等珍珠屍體就不會腐爛，等等，更是明顯的錯誤。書中繪圖也有不夠準確的地方。不過，對於全書來說，這些不足之處是瑕不掩瑜的。總的看，《天工開物》的內容具有重大的科學價值；宋應星從事科技研究的基本途徑和基本方法是值得肯定的。