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1926年夏天，吴有训在美国芝加哥大学物理系获得了博士学位。由于研究康普顿效应取得的成就，多家研究所向他发出邀请。康普顿教授也对吴有训青睐有加，在自己的著作和多种场合经常提到吴有训。吴有训在美国物理学界有着光明的前途。
但吴有训毅然选择与优渥的研究环境告别，回到此时仍积贫积弱的祖国。面对导师的极力挽留，吴有训说：“中国的问题绝不是在国外拥有几位拔尖的科学人才就能解决的，也不是一代人能够解决的……我决心回国教书，培养一代又一代的学生，中国只有千千万万了解世界、懂得科学的人才，然后才能进步。”
怀着对祖国无限的热爱，吴有训于1926年秋回国任教。1928年起，吴有训任清华大学教授、物理系主任、理学院院长，从此开始了长达二十多年的教育之路。
初到清华物理系时，全系只有三名教授，吴有训主动请缨，教授普通物理学课程。关于吴有训讲课的情形，他曾经的学生回忆：我们当时已经知道吴先生做过一些很重要的工作，称得上是一位有成就的物理学家了，大家猜测他会不会在一堂课上讲出一些深奥难懂的道理来，但是吴先生却在讲课之初提出了一个最简单的问题，皮球落地之后为什么能反弹起来？然后循循善诱让大家明白这是因为地面的反作用所致。
对于打好物理学研究的基础，吴有训自己这样说：学习精密科学的人，一开始就应养成用科学语言描述事物的习惯，只有这样，才能保证思维清晰，把问题分析透彻。
1929年，吴有训在清华建立起我国第一个近代物理学实验室，进行国内X射线问题的研究，开创了中国物理学研究的先河。他重视实践、学思结合的研究观念，也在清华园中得到延续。
1936年，由于在物理学上的突出贡献，吴有训任中国物理学会会长，并被德国哈莱自然科学研究院推举为该院院士，成为第一位被西方国家授予院士称号的中国人。