Denne avhandlingen har som mål å identifisere og utforske 1) trenger og særtrekk ved norske elevers fysikkompetanse og 2) faktorer som påvirker og forklarer endringer i denne kompetansen. To del-studier, ett på grunnskolen og ett på videregående skole, handler om fysikkompetanse. Et overordnet teoretisk rammeverk for fysikkompetanse samt tidligere funn fra TIMSS og TIMSS Advanced, lå til grunn for valg av typer fysikkompetanser jeg skulle forske på for å adressere det overordnede målet. De fysikkompetanser som ble utforsket og målene for de to del-studiene var: 1) å utforske viktig matematiske kompetanser i fysikk på videregående skole og hvordan de utvikler seg over tid, og 2) å identifisere særtrekk og påvirkning av holdninger og bruk av diskurs på begrepsforståelse på ungdomsskolen. Det tredje del-studiet adresserer den andre delen av det overordnede målet relatert til faktorer som kan påvirke prestasjoner og undersøker "skolens fokus på akademisk suksess" (SEAS) samt "trygge skoler" som forklaring på endring i fysikkompetanse. Metodene benyttet i del-studiene inkluderer for det meste kvantitaive analyser (hovedsakelig strukturell ekvasjons-modellering med konfirmatorisk faktoranalyse), men også kvalitative analyser (hovedsakelig intervjuer og kategorisering) av TIMSS-data og data fra egen undersøkelse. Hovedfunnene relatert til fysikkompetanse indikerer at den viktigste og mest avtagende (fra 1995-2008) matematiske kompetansen i fysikk for norske elever på videregående skole, var algebra. På ungdomsskolen ser det ut til at elevenes høye kompetanse i astronomi kan være relatert itl positive holdninger og bruk av diskurs. Funn relatert til faktorer som kan påvirke prestasjoner viser at SEAS forklarer de økte prestasjonene i naturfag i TIMSS fra 2007 til 2011. Videre ser det ut til at lærernes økte oppfatning av trygghet fremmer SEAS. Innen utdanningspolitikk kan funnene peke på nytten av en fortsatt prioritering av SEAS og trygge skoler. Metodene benyttet i det tredje del-studiet kan bidra til feltet "Educational Effectiveness Research" (EER). Bidrag til klasserommet kan være å utnytte elevenes positive holdninger til astronomi i undervisning av andre fysikkemner og til å styrke elevers algebrakompetanse i fysikk. Denne avhandlingen hører til feltet fysikkdidaktikk og til feltet EER og har blitt utført på Institutt for lærerutdanning og skoleforskning ved Universitetet i Oslo.