司南(指南针)中国古代四大发明之一

蒋克华地磁场研究  

司南(指南针)、罗盘的发展变化和应用

中国是世界上公认发明指南针(Compass)的国家。指南针的发明是我国汉族劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动,人们接触了磁铁矿,开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石吸引铁的性质,后来又发现了磁石的指向性。经过多方面的实验和研究,终于发明了实用的指南针。最早的指南针是用天然磁体做成的,这说明中国汉族劳动人民很早就发现了天然磁铁及其吸铁性。据古书记载,远在春秋战国时期,由于正处在奴隶制社会向封建社会过渡的大变革时期,生产力有了很大的发展,特别是农业生产更是兴盛发达,因而促使了采矿业、冶炼业的发展。在长期的生产实践中,人们从铁矿石中认识了磁石。最早的指南针是司南。

        公元前7世纪成书的《管子·地数》中就记载:“上有磁石者,下有铜金”。意思说,如果山上有磁石时,山里就藏有铁矿。地理名著《山海经》中,也曾记载“题灌山中多磁石”。《水经注》里记载了秦国阿房宫前面,用磁石制成大门,防避有人进宫谋刺暗杀,如坏人暗披盔甲、暗藏兵器入宫,就会被门吸住而被发现,这说明人民很早就发现了磁石的吸铁性,并加以利用了。
        在长期的生产斗争中,我国汉族劳动人民进一步利用磁体的指极性,制成指示方向的机械,这就是指南针。这在《韩非子·有度篇》中和《鬼谷子》一书中都有记载。在《鬼谷子》中记载说,郑国人到深山密林中去采集玉石时,为了不迷失方向,带着“司南”。这“司南”就是指南针这种机械。东汉王充在《论衡》中描述过“司南”,它象只水勺,用天然磁石磨制面成,勺底为球面体,勺呈椭圆状,勺柄通体渐渐缩成柱状。为了确定方向,还配有一个“地盘”,它是铜质或涂漆木制盘,中央是平滑圆槽,形状可能是内圆外方,框上刻划出定向的刻度,用“干”、“支”(即甲、乙、丙、丁……和子、丑、寅、卯……)以及八卦等表明二十四方位。将会投于地盘中央时,它的柄部就会大体停止在指南的方位上。以上可知司南是现代指南针(磁罗盘)的体型。“指南”是张衡在《东京赋》中第一次提出来的,以后经过魏晋、南北朝、隋、唐,直到宋代经过一千多年才逐渐发展起来了。宋代杰出的科学家沈括在《梦溪笔谈》中,对指南针发展的当时状况作了详尽的论述。当时在生产和科学实验发展的推动下,特别是航海事业和外贸的兴起扩大下,指南针逐步发展起来。沈括总结了劳动人民在实践在创造的四种指南针的装置方法。第一种是水浮法,将磁针浮于水面进行指南,虽然比较平稳,但容易动荡不定;第二种是指甲旋定法,将磁针置于指甲上,转动灵活,也容易滑落;第三种是碗唇旋定法,将磁针置于碗口边上,转动较灵活,但易滑落;第四种是缕旋法,用蚕丝将磁针悬挂起来,可达到转动灵活而又稳定。他还记载了人工授磁方法即“以磁石磨针锋,则能指南”。这种用人工制成磁体,是一个巨大的进步。此外,还曾制出过“指南鱼”、“旱针”、“水针”。旱针、水针这两种指南针,成为近代指南针(罗盘针)的基本结构原理奠定了基础。沈括在研究指南针的过程中,还总结和发现了地磁有偏角存在。也就是说,指南针指示的方向,“常微偏东,不全南也”。这是我国对地磁学做出的伟大贡献。

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        磁子午面

        经过地心和磁针静止时所指示的南北方向所作的垂直平面。
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        磁子午线简介
        地球表面上某点地磁水平分力线所切的地球大圆。磁针在仅受地磁影响(没有自差)的情况下其指向即磁子午线方向(也就是说,在地球磁场作用下,磁针在某点自由静止时其轴线所指的方向)。因地磁两极不对称和磁场不规律性,磁子午线一般不经过地磁南北极。故磁针所指的磁北方向不一定是地磁北极的方向。
        磁子午线方向可用罗盘仪测定。
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        指向原理

        地球是个大磁体,其地磁南极在地理北极附近,地磁北极在地理南极附近。

        指南针在地球的磁场中受磁场力的作用,所以会一端指南一端指北。

指南针辗转传入欧洲后在航海大发现中发挥出不可替代的作用。但科学史家清楚,最早解答“指南针为何能够指南”问题的并不是中国人,而是英国科学家吉尔伯特。那么,中国发明指南针后对指南针理论作过什么样的探讨?吉尔伯特的理论是否及时传到了中国?明末清初的“西学东渐”,又对我国指南针理论的发展有过哪些影响?上海交通大学科学史与科学哲学系教授关增建从2003年起开始着手研究这些基本上还是空白的问题。
        “中国最早的指南针理论,是建立在阴阳五行学说基础上的‘感应说’。”关增建介绍,11世纪中叶时我国大科学家沈括还对指南针感到匪夷所思,他的《梦溪笔谈》介绍了指南针的人工磁化方法、磁偏角的发现和指南针的架设方法,但对指南针为什么会指南却没有一点概念——“磁石之指南……莫可原其理!”随后,文人学者们从阴阳五行学说出发,结合当时人们对大地形状的认识,提出各种指南针理论。例如,最晚成书于宋代的《管氏地理指蒙》,首先提出如下逻辑:
        “磁针是铁打磨成的,铁属金,按五行生克说,金生水,而北方属水,因此北方之水是金之子。铁产生于磁石,磁石是受阳气的孕育而产生的,阳气属火,位于南方,因此南方相当于磁针之母。这样,磁针既要眷顾母亲,又要留恋子女,自然就要指向南北方向。”
        关增建表示,从近代物理学的观点来看,“蒙氏理论”完全异想天开,但从事物的属性出发解释其行为,在东西方科学史上都是常用的做法。我国古代阴阳学说昌盛,用阴阳学说阐释指南针指南及“常微偏东”的原理,是再自然不过的事情。特别是,该理论认为磁石不同端面有不同属性,它们决定磁针的指向,这种说法很容易启发人们发现磁石的两极,并进一步联想到磁极与磁针指向之间的关系,从而为正确认识这一问题找到可能的途径。
        南宋人的指南针原理,仍认为“指南针之所指,即阳气之所在”,只是围绕磁偏角现象,立论依据更多转向地理方位的坐标系统——中国古人认为地是平的、大小有限,这样地表面必然有个中心,过该中心的那条子午线就是唯一的南北方向。南宋人曾三异等认为,一旦测量地点不在这条南北线上,指南针所指向自然“少偏”。到明代,有人假托南唐人著作指出,指南正针由大地方位系统决定,而偏角则由天体方位划分系统所决定。关增建认为,这种说法“体现了传统指南针理论在阴阳感应学说和磁偏角的存在这一矛盾面前所表现出来的窘迫”。
        明万历年间(公元1573~1620年),传教士来华,带来西方的指南针理论、地球学说以及相关科技知识。受其影响,中国学者开始从新的视角探讨指南针理论问题,在此过程中,阴阳五行的作用不断淡化,力学角度的分析不断增加,但吉尔伯特1600年提出的科学理论连西方学界都没统一,更谈不上入主东土。传教士中,1658年抵华的比利时耶稣会士南怀仁的指南针理论最系统,但他认为决定磁针指向的是地球的地理南北两极本身,理论仍然局限在古代科学的范围,而不像吉尔伯特认识到地球本身存在一个磁体。南怀仁理论在中国影响深远,直到19世纪中叶,我国仍有学者用它解释指南针问题。而此时,清末来华的传教士已开始着手把西方近代磁学知识介绍给中国了。

        发展历程

        目前传统的观点认为指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。样子像一把汤勺,圆底,可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡,且可以自由旋转。当它静止的时候,勺柄就会指向南方。当时的著作《韩非子》中就有:“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。“但有学者认为”朝夕”除了东西方向外,还可解释为早晚朝见或君王早晚听政。《小雅·雨无正》:“邦君诸侯,莫肯朝夕。”郑玄笺:“王流在外,三公及诸随王而行者,皆无君臣之礼,不肯晨夜朝暮省王也。”又如《周礼·夏官·道仆》:“掌驭象路以朝夕。”陆德明释文:“朝夕,直遥反。”孙诒让正义:“注云‘朝夕,朝朝莫夕’者,《乡饮酒义》云:‘朝不废朝,莫不废夕。’注云:‘朝夕,朝莫听事也。’”所以“端朝夕”就是端正或稳定朝纲,而不是定方向,此处司南解释成法律更合理。
        春秋时代,人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成各种形状的器具,因此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。据载墨子是很有成就的科学家,在力学、声学、光学、磁学等方面都很有研究,制作发明的有听瓮、中燧、司南,还有汲水器、投石器、望远器、集箭器等,其中的司南应该属于我国或者世界最早的指南针。东汉时的王充在他的著作《论衡》中对司南的形状和用法做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型,勺柄指南极,并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中,勺置于光滑的地盘之中,地盘外方内圆,四周刻有干支四维,合成二十四向。这样的设计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象,积累了大量的知识和经验,经过长期的研究才完成的。司南的出现是人们对磁体指极性认识的实际应用。但司南也有许多缺陷,天然磁体不易找到,在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱,而且它与地盘接触处要非常光滑,否则会因转动摩擦阻力过大,而难于旋转,无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量,携带很不方便,这可能是司南长期未得到广泛应用的主要原因。
        目前的司南模型是由我国著名科技史学家王振铎根据根据《论衡》中的记载,考证并复原的。司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成,青铜盘上刻有二十四向,置磁勺于盘中心圆面上,静止时,勺尾指向为南。
        但司南是磁性指南工具的一观点一直受到学术界的质疑。首先,在《论衡》中,并未指出司南是磁勺子,而且,在刚认识到磁石吸铁的同时就发现其指极性不符合认识的规律,另外要把磁石加工成能指南的磁勺,要有意识地‘顺其南北极向’磨镂。在十一世纪指南针发明以前,古文献中从未有过磁石两极以及它的指极性的记述。50年代钱临照院士曾受郭沫若之托试图以天然磁石制做勺形司南,但因天然磁石磁距小、底部摩擦大而未成功。而王振铎先生的复原物为钨钢在人工电磁场中磁化,这在两千多年前是无法办到的。现在北京的中国历史博物馆已不再展出司南的模型。东北师大教授刘秉正于1956年就对司南的磁勺说提出质疑,80年代后又通过用天然磁石指极性实验以及考据指出《论衡》以及《瓢赋》中的司南是天上的北斗, 而其它的文献中的司南或是指南车如《鬼谷子》,可能是行事的准则,也有可能指官职如《韩非子》。其他也有一些学者如中国科技大学教授李志超认为司南是磁石放在瓢中,杭州大学教授王锦光提出司南是磁勺子放到水银池中(《论衡》中的地为“池”)[5]。2005年中国国家博物馆研究员孙机根据前北平历史博物馆旧藏残宋本《论衡》认定“司南之杓”杓字实为酌,那么看来“其柢指南”之柢也非指勺柄,司南是机械齿轮装置的指南车。但这些质疑还没有被科技史学界所普遍接受。根据最新的文献考证表明,司南是北斗的别称,同时司南的其他用法也都与北斗有关[2]。此文通过对北魏·温子升《定国寺碑》、梁·吴均《酬萧新浦王洗马诗二首》等唐以前文献的分析,认为这些文献中司南只能解释成北斗,而《论衡》,《瓢赋》中的司南也应是北斗。而元稹《加裴度幽镇两道招抚使制》中的司南应是官职,宋·释正觉《颂古》:“妙握司南造化柄,水云器具在甄陶。”中的司南应是权力,唐·宋暠《獬廌赋》中“守法者仰之以司南,疾恶者投之於有北。”的司南是法律,这些词意都来源于北斗。另外《韩非子·有度》中的司南也应解释成法律,其中的“朝夕”不是方向,而是早晚朝见或君王早晚听政。其他司南引申为定时间(杜甫《咏鸡》中的司南)、指德高望重的人、以及指导准则等意也来源于北斗。此文认为目前司南是磁性指南工具的论据还远不充分。此外,作者根据唐·戴叔伦《赠徐山人》中“针自指南天窅窅,星犹拱北夜漫漫。”提出中国可能在八世纪发明指南针。
        另外人们常把指南车当成磁性指南工具,实际上指南车是应用机械原理进行指南的。这在学术文献中也经常被混淆。如认为《鬼谷子》中的司南是磁性指南工具。实际上历代引《鬼谷子》中的司南从前后文看都是说指南车。如《宋书·礼志》,唐·李善注《文选》中左思吴都赋,《太平御览·车部四》等。这是在阅读文献是应该注意的。

        2其他信息编辑

        样式

        古代民间常用薄铁叶剪裁成鱼形,鱼的腹部略下凹,像一只小船,磁化后浮在水面,就能指南北。当时以此做为一种游戏。
        北宋时,曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的的方法:“用薄铁叶剪裁,长二寸,阔五分,首尾锐如鱼型,置炭火中烧之,侯通赤,以铁钤钤鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之。用时,置水碗于无风处平放,鱼在水面,令浮,其首常向午也。”这是一种人工磁化的方法,它利用地球磁场使铁片磁化。即把烧红的铁片放置在子午线的方向上。铁片烧红后,温度高于居里点,铁片中的磁畴便瓦解而成为顺磁体,蘸水淬火后,磁畴又形成,但在地磁场作用下磁畴排列有方向性,故能指南北。因我国长江黄河流域一带地磁有大约50度左右的倾角,如水平放置,则只有水平方向分量起作用,而以一定角度放入水中,则使鱼磁化的有效磁场强度增大,磁化效果更好。人工磁化方法的发明,对指南针的应用和发展起了巨大的作用。在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法:“方家以磁石摩针锋,则能指南。”按沈括的说法,当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针,就能使针带上磁性。从现在的观点来看,这是一种利用天然磁石的磁场作用,使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向,从而使钢针显示出磁性的方法。这种方法比地磁法简单,而且磁化效果比地磁法好,摩擦法的发明不但世界最早,而且为有实用价值的磁指向器的出现,创造了条件。
        《梦溪笔谈》是沈括(1031—1095年)所著的有关我国古代科学技术的著作,书中谈到磁学和指南针的一些问题。他在《梦溪笔谈》的补笔谈中谈到了摩擦法磁化时产生的各种现象:“以磁石摩针锋,则锐处常指南,亦有指北者,恐石性亦不……,南北相反,理应有异,未深考耳。”这是说,用磁石去摩擦缝衣针后,针锋有时指南,也有时指北。从现在的观点来看,磁石都有N和S两个极,磁化时缝衣针针锋的方位不同,则磁化后的指向也就不同。但沈括并不知道这个道理,他真实的记录了这个现象并坦白承认自己没有做深入思考。以期望后人能进一步探讨。
司南(指南针)中国古代四大发明之一

        装置

        关于磁针的装置方法,沈括介绍了四种方法:
1.水浮法——将磁针上穿几根灯心草浮在水面,就可以指示方向。
2.碗唇旋定法——将磁针搁在碗口边缘,磁针可以旋转,指示方向。
3.指甲旋定法——把磁针搁在手指甲上面由于指甲面光滑,磁针可以旋转自如,指示方向。
4.缕悬法——在磁针中部涂一些蜡,粘一根蚕丝,挂在没有风的地方,就可以指示方向了。
沈括还对四种方法做了比较,他指出,水浮法的最大缺点,水面容易晃动影响测量结果。碗唇旋定法和指甲旋定法,由于摩擦力小,转动很灵活,但容易掉落。沈括比较推重的是缕悬法,他认为这是比较理想而又切实可行的方法。事实上沈括指出的四种方法已经归纳了迄今为止指南针装置的两大体系——水针和旱针。
        南宋陈元靓在《事林广记》中介绍了另一类指南鱼和指南龟的制作方法。这种指南鱼与《武经总要》一书记载的不一样,是用木头刻成鱼形,有手指那么大,木鱼腹中置入一块天然磁铁,磁铁的S极指向鱼头,用蜡封好后,从鱼口插入一根针,就成为指南鱼。将其浮于水面,鱼头指南,这也是水针的一类。
        指南龟是当时流行的一种新装置,将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内,在木龟腹下方挖一光滑的小孔,对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上,这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。由于支点处摩擦力很小,木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向,而用于幻术。但是这就是后来出现的旱罗盘的先声。
指南龟发明年代不晚于1325年。木块刻成龟型,龟腹部中心嵌以磁体,木龟安放在尖状立拄上,静止时首尾分指南北。
        罗盘定位
        要确定方向除了指南针之外,还需要有方位盘相配合。最初使用指南针时,可能没有固定的方位盘,随着测方位的需要,出现了磁针和方位盘一体的罗盘。罗盘有堪舆用的罗经盘和水罗盘、旱罗盘。
        方位盘仍是二十四向,但是盘式已经由方形演变成圆形。这样一来只要看一看磁针在方位盘上的位置,就能断定出方位来。南宋时,曾三异在《因话录》中记载了有关这方面的文献:“地螺或有子午正针,或用子午丙壬间缝针。”这是有关罗经盘最早的文献记载。文献中所说的“地螺”,就是地罗,也就是罗经盘。文献中已经把磁偏角的知识应用到罗盘上。这种罗盘不仅有子午针(确定地磁场南北极方向的磁针),还有子午丙壬间缝针(用日影确定的地理南北极方向)这两个方向之间的夹角,就是磁偏角。
        盘面周围刻二十四方位,内中盛水,磁针横穿灯草,浮于水面。
现在人们已经知道,地球的两个磁极和地理的南北极只是接近,并不重合。磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极,这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差,这个角度就叫磁偏角。又因为地球近似球形,所以磁针指向磁极时必向下倾斜,和水平方向有一个夹角,这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。成书于北宋的《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时,就注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》谈到指南针不全指南,常微偏东。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。
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        3历史与应用

        指南针的发明不是一蹴而成的,而是经过了漫长的辛勤研究和不断的改进,逐渐发展而制成的。据史书记载,最初人们发现天然的磁石能吸铁,继而又发现磁铁利用地磁吸引,总是指向南端,从而在公元前三世纪的战国年代,人们用天然磁铁矿琢磨成当时称为“司南”的指南针。还发明了一种车上安装木头人,车子里边有许多齿轮,无论车子如何转动,木头人的手总是指向南方的“指南车”。公元一世纪初,即东汉初年,王充在《论衡》中记述了磁勺柄指南的史实。但“司南”等由于是用天然磁石制成的,容易失去磁性,使用起来既不方便,效果又不很好。在北宋时,著名的科学家沈括总结了前人的经验,在物理方面又发现地磁偏角的存在,利用人工磁化法制成了使用方便、效果较好的指南针,就是用天然磁石上磨擦后带磁性的钢针来指南。此法制成的各种指向性的仪器,虽然在形状上和装置方法上有新的发展和差异,但其原理基本上是一样的。
        到了宋代,劳动人民掌握了制造人工磁体的技术,又制造了指南鱼。指南针的发明是我国劳动人民,在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动,人们接触了磁铁矿,开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石引铁的性质。后来又发现了磁石的指向性。经过多方的实验和研究,终于发明了极具实用价值的指南针。
        指南针是中国古代四大发明之一。早在春秋战国时期,人们对磁现象有了深刻的认识。古代中国人认为,磁石吸铁,有如慈母怀子,因此在先秦的许多文献中,多将“磁石”写作“慈石”。战国后期的哲学家韩非的著作中,不但有关于磁现象的记载,而且有把磁性用于辨别方位的记载。这表明,在那时人们已开始用磁石来制造最初的罗盘。
        到了西汉时期,中国古代磁学有了进一步发展。东汉哲学家王充在其著作《论衡》中曾有过这样的记述:“司南之杓,投之于地,其柢指南。”这说明,作为指南针前身的司南在当时已得到较为广泛的应用。指南龟是当时流行的一种新装置,将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内,在木龟腹下方挖一光滑的小孔,对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上,这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。由于支点处摩擦力很小,木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向,而用于幻术。但是这就是后来出现的旱罗盘的先声。
        磁石吸铁是因为每块磁石两头都有不同的磁极,一头叫正极,另一头叫负极。人类居住的地球也是一块天然大磁铁,地球的南北两头也有不同的磁极,地球的北极是负磁极,地球南极为正磁极。根据同性磁极相排斥,异性磁极相吸引的原理,拿一根可以自由转动的磁针,无论站在地球的什么地方,它的正极总是指北,负极总是指南。
        战国时期,人们利用磁石指示南北的特性制成了指南工具──司南。但是,战国时期的司南是什么样子无法考证。《中国历史》课本插图──“司南”,是根据中国历史博物馆展品“汉代司南模型”绘制的。这个模型是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。地盘是青铜做成的,内圆外方,中心圆面磨得非常光滑,以保证勺体指示方向的准确性。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿,共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的,磁铁的正极磨成司南的长柄,勺头底部是半球面,非常光滑。使用时先把地盘放平,再把司南放在地盘中间,用手拨动勺柄,使它转动,等到司南停下来,勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到八世纪时仍在应用。
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        4指南针的故事

        指南针的发明是古代先民对磁现象的观察和研究的结果。古代先民对磁现象的观察和研究的过程中,进一步了解了磁的性质,并试图更多地应用这些性质。传说秦始皇修建阿房宫时,有一宫门是用磁铁制造的。如果刺客带剑而过,立刻会被吸住,被卫兵当场捕获。这样的故事还很多,《晋书.马隆传》记载马隆率兵西进甘、陕一带,在敌人必经的狭窄道路两旁,堆放磁石。穿着铁甲的敌兵路过时,被牢牢吸住,不能动弹了。马隆的士兵穿犀甲,磁石对他们没有什么作用,可自由行动。敌人以为神兵,不战而退。东汉的《异物志》记载了在南海诸岛周围有一些暗礁浅滩含有磁石,磁石经常把“以铁叶锢之”的船吸住,使其难以脱身。

        魏晋南北朝时,我国先民对磁石的性质已有了很多认识。就连当时的诗人曹植在矫志诗中也用了“磁石引铁,于金不连。”的句子。可见他也了解磁石的性质。南北朝梁代的陶弘景在《名医别录》中提出了磁力测量的方法,他指出:优良磁石出产在南方,磁性很强,能吸引三、四根铁针,使几根针首尾相连挂在磁石上。磁性更强的磁石,能吸引十多根铁针,甚至能吸住一、二斤刀器。陶弘景不仅提出了磁性有强弱之分,而且指出了测量方法。这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。

 
        我国先民对磁石的性质的研究和认识是指南针发明和发展的基础。
        指南针在古代主要被堪舆家们用于相宅相墓,同时也被用于航海及其他。正是这后者对人类社会进步发挥了巨大作用,因而指南针才得以跻身于古代四大发明的行列。我国典籍记载指南针用于航海,始于宋代朱彧1119年写的《萍洲可谈》,书中写道:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。”之后,类似的文献层出不穷,这表明在航海活动中,指南针普及得相当快。这一发明后来经阿拉伯传入欧洲,对欧洲的航海业乃至整个人类社会的文明进程,都产生了巨大影响。

        5发展史

司南(指南针)中国古代四大发明之一

        指南针也叫罗盘针,是我国古代发明的利用磁石指极性制成的指南仪器。因此,介绍司南必须从磁石说起。
        磁石通常称为“吸铁石”,它把许多铁屑紧紧吸在一起,就象一个慈祥的母亲吸引自己的孩子,所以人们称它为“慈石”。
        磁石吸铁是因为每块磁石两头都有不同的磁极,一头叫正极,另一头叫负极。人类居住的地球也是一块天然大磁铁,地球的南北两头也有不同的磁极,地球的北极是负磁极,地球南极为正磁极。根据同性磁极相排斥,异性磁极相吸引的原理,拿一根可以自由转动的磁针,无论站在地球的什么地方,它的正极总是指北,负极总是指南。
司南(指南针)中国古代四大发明之一

        最原始的指南针

        早在两千多年前的战国时期,人们利用磁石指示南北的特性制成了指南工具──司南。但是,战国时期的司南是什么样子无法考证。《中国历史》课本插图──“司南”,是根据中国历史博物馆展品“汉代司南模型”绘制的。这个模型是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。地盘是青铜做成的,内圆外方,中心圆面磨得非常光滑,以保证勺体指示方向的准确性。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿,共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的,磁铁的正极磨成司南的长柄,勺头底部是半球面,非常光滑。使用时先把地盘放平,再把司南放在地盘中间,用手拨动勺柄,使它转动,等到司南停下来,勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到八世纪时仍在应用。
        到了宋代,劳动人民掌握了制造人工磁体的技术,又制造了指南鱼。指南鱼是把薄钢片剪成鱼形,长二寸,宽五分,鱼的肚皮部分凹下去,使鱼象船一样能浮在水面上。然后加热并沿子午线方向淬火使之被地磁场磁化(详见上指南鱼部分)。这种人工传磁方法制成的指南鱼比使用司南方便多了,只要有一碗水,把指南鱼放在水面上就能辨别方向了。经过长期的改进,人们又把钢针在天然磁体上摩擦,钢针也有了磁性。这种经过人工传磁的钢针可以说是正式的指南针了。沈括在他的《梦溪笔谈》中提到他对指南针的用法做过四种试验,即水浮法、缕悬法、指甲法和碗唇法。“水浮法”是把指南针放在有水的碗里,使它浮在水面上,指示方向。“缕悬法”就是在磁针中部涂上一些蜡,上面粘一根丝线,把丝线悬在木架上,针下安放一个标有方位的圆盘,静止时钢针就指示南北。“指甲法”就是把钢针放在手指甲面上,轻轻转动,由于手指甲的光滑,磁针就和司南一样也能发生指南作用。“碗唇法”是把磁针放在光滑的碗边上,转动磁什,便和指甲法一样发生指南作用。沈括经过精密的观察实验,还发现磁针指示的方向并不是正南正北,而是微偏西北和东南,这种发现在科学上叫磁偏角。
司南(指南针)中国古代四大发明之一

        名称来源

        最早在战国时期《韩非子》一书中,就记载了指南针的原型——司南,“先王立司南以端朝夕”;并在东汉王充《论衡》中便记述了司南的具体形制,“司南之杓,投之于地,其柢指南”。
且,指南针不但最早为中国发明,并随后演变成罗盘并应用于航海事业上。北宋朱彧所著《坪洲可谈》一书中,最早记载了航海中使用指南针的情况,“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,隐晦观指南针”。其后,南宋福建路市舶司(当时管理对外贸易的政府机关)提举赵汝适在所著《诸蕃志》中提到,“舟舶来往,惟以指南针为则,昼夜守视惟谨,毫厘之差,胜似系焉”。
        就在这一时期(北宋末南宋初,约为1180年左右),中国的指南针(或者说罗盘)通过阿拉伯商人传入欧洲。此后,罗盘在世界航海事业上被广泛应用,因此才有15世纪-16世纪欧洲人的世界地理大发现。这一切,按照中国官方的历史教科书来看,由于这一渊源关系,欧洲人的指南针亦是应来“指南”。
司南(指南针)中国古代四大发明之一
        后来查了一下大英百科全书和中国大百科全书中的指南针词条,才发现事情远非“指南”一说这么简单。
        在大英百科全书中,有两个不同的词条来解释:
        第一个词条为“direction determinants”,即方向指定仪器,解释如下:“中国古代四大发明之一,有磁指南和机械指南两种,磁指南发明于公元前3世纪,称为‘司南’……机械指南仪器为指南车,约在3世纪发明……”
        第二个词条为“compass”,译为“罗盘”,即通常意义上用于航海的指南针。解释如下:“航海或勘测时在地球上使用的基本测向仪器,……最老、最常用的罗盘为磁罗盘,……12世纪,显然中国和欧洲的航海家都各自发现,一块天然磁石,一种自然界存在的磁性矿石,漂在水中木棒上时总是指向北极星方向……”
        两个词条其实是对指南针作了区分。一种是在陆地上、较简单的指南仪器,源于中国司南(也应该仅仅使用于出产在中国的指南针),另一种是用于航海和勘测上、较专业的指北仪器,欧洲和中国同时出现,无先后之分。
        分歧就这么出来了,对比这两个词条,发现大英百科全书似乎把“中国是最早发明指南针”这一说法完全给推倒了,因为在欧洲历史上,罗盘才是真正的“指南针”,并在欧洲人发现新大陆、争霸海权和开拓殖民地等近现代历史的决定性事件中,与火炮和航海术一样扮演了功不可没的角色。对“中国古老的指南针”不但否定,而且用了两个不同的词条加以区分。
        在中国大百科全书中,也有指南针和罗盘(磁罗盘)两个词条,但不论是对指南针的解释,还是对罗盘的解释,都最终追溯了到战国的“司南”,这两种不同的指向仪器是同源关系,而没有像欧洲观念中区分的如此泾渭分明。
        因此,康熙的说法和佩雷菲特对其的嘲笑便有了答案——显然,康熙认同指南针和罗盘同出一源,用来指南,而作者佩雷菲特则按西方人的观念,认为指南针显然应该是罗盘;佩雷菲特则认为,罗盘是欧洲人自己发明的,与中国的“司南”没有必然联系,罗盘用来指北,而中国的司南则用来指南。这似乎是一种不同文化背景上的误解。当然,罗盘和“司南”到底什么关系,还是各有各的说法。
        此外,佩雷菲特对康熙固执地认为指南针用来指南作了解释。他认为,康熙之所以认为指南针用来指南,是因为在中国古代文化中,南是四个方位中最尊贵的方位,皇帝的御座、宫殿、陵墓,寺庙,甚至紫禁城,一切尊贵的建筑物都朝向南方。他继续写道,“虽然皇帝是来自北方的满人,他的论据却是始料不及的:‘在北方,一切活动在凋萎,在衰亡。吸引磁针的力量怎么可能来自北方呢?’……‘力量、精气和繁荣都在南方’”。
        听佩雷菲特一说,似乎也不无道理。但,中国史书上对司南的记述确实为“其柢指南”,并没有因为后来“南”变成了一种皇帝尊贵的象征才改的方向。这位曾先后六次访问中国的法兰西学院院士,用这种说法来解释康熙认为指南针指南是合理的这一固执的想法,到底算是对中国文化的理解,还是误解呢?
        中国人认为指南针指南,欧洲人认为指南针指北,皆合理。因为现在的指南针为棱形,指针两头均衡,并非如“司南”只有一个杓柄,指南指北之争,似乎徒费口舌。
司南(指南针)中国古代四大发明之一

        航海上的应用

        指南针作为一种指向仪器,在我国古代军事上,生产上,日常生活上,地形测量上,尤其在航海事业上,都起过重要的作用。
我国古代航海业相当发达。秦汉时期,就已经同朝鲜、日本有了海上往来;到隋唐五代,这种交往已经相当频繁。而且同阿拉伯各国之间的贸易关系也已经很密切。到了宋代,这种海上交通更得到进一步的发展。中国庞大的商船队经常往返于南太平洋和印度洋的航线上。海上交通的迅速发展和扩大,是和指南针在航海上的应用分不开的。在指南针用于航海之前,海上航行只能依据日月星辰来定位,一遇阴晦天气,就束手无策。唐文宗开成三年(公元838年),日本和尚圆仁来中国求法,后来写有《入唐求法巡礼行记》一文,描述了在海上遇到阴雨天气的时候混乱而艰辛的情景:当时,海船的航向无法辨认,大家七嘴八舌,有的说向北行,有的说向西北行,幸好碰到一个波绿海浅的地方,但是也不知道离陆地有多远,最后只好沉石停船等待天晴。
        而在指南针用于航海之后,不论天气阴暗,航向都可辨认。史籍中最早记载到指南针用于航海的是在北宋。朱彧(yù)在他的《萍洲可谈》一书中评述了当时广州航海业兴旺的盛况,同时也记述了中国海船在侮上航行的情形,说道:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。”这时海上航行还只是在日月星辰见不到的日子里才用指南针,这是由于人们对靠日月垦辰来定位有一千多年的经验,而对指南针的使用还不很熟练。随着指南针在海上航行的不断应用,人们对它的依赖也与日俱增,并且有专人看管。 南宋吴自牧在他所写的《梦粱录》中说道:“风雨冥晦时,惟凭针盘而行,乃火长掌之,毫厘不敢差误,盖一舟人命所系也。”由此也可以看出指南针在航海中的地位和作用。到了元代,指南针一跃而成海上指航的最重要仪器了,不论冥晦阴暗,都利用指南针来指航。而且这时海上航行还专门编制出罗盘针路,船行到什么地方,采用什么针位,一路航线都一一标识明白。元代的《海道经》和《大元海运记》里都有关于罗盘针路的记载。元代周达观写的《真腊风土记》里,除了描述海上见闻外,还写到海船从温州开航,“行丁未针”。这是由于南洋各国在中国南部,所以海船从温州出发要用南向偏西的丁未针位。明初航海家郑和“七下西洋”,扩大了中国的对外贸易,促进了东西方的经济和文化交流,加强了中国的国际政治影响,增进了中国同世界各民族的友谊,作出了卓越的贡献。他这样大规模的远海航行之所以安全无虞,端赖指南针的忠实指航。郑和的巨舰,从江苏刘家港出发到苏门答腊北端,沿途航线都标有罗盘针路,在苏门答腊之后的航程中,又用罗盘针路和牵星术相辅而行。指南针为郑和开辟中国到东非航线提供了可靠的保证。

        梦溪笔谈节选

        方家以磁石磨针锋,则能指南;然常微偏东,不全南也。水浮多荡摇,指爪及碗唇上皆可为之,运转尤速,但坚滑易坠,不若缕悬为最善。其法:取新纩中独茧缕,以芥子许腊缀于针腰,无风处悬之,则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南、北者皆有之。磁石之指南,犹柏之指西,莫可原其理。

        译文

        掌握技术的行家用磁石磨针使其变得锋利(即磁化),就可以指向南方,然而指向常常略微偏东,不全是正南方,(把针放在)水上常摇摆不定。放手指(甲上)或碗的边缘也都可以,运转速度很快,但(这些表面)坚硬光滑,容易滑落掉下,不像悬挂最好。这个方法是取新产的丝绵中单独的缕茧丝,用芥菜种子大小的蜡块粘好,系在针的中间(位置),在没有风的地方悬挂,则针常常指向南方。其中有的针指向北方。我家指南、指北的都有,磁石指向南方,和柏树的树枝指向西方一样。(我)无法探究它的原理。

        注释

方家:指掌握某项技术的人。
水浮:指将磁针穿过灯草浮在水面上。
指爪:指甲。
锋:使…变锋利
碗唇:碗边。
缕悬:用丝线悬挂。
纩(kuang):丝绵。
独茧缕:单根的蚕丝。
缀:连接,这里指粘。
原:推究。
磨而指北者:(有的针)用磁石磨后指北。
以芥子许腊缀于针腰:用芥子大小的蜡粘在磁针的中间部位。芥子,芥菜的种子。许,表示约数,相当于“大小”、“左右”。

        概括

        本文名《指南针》选自《梦溪笔谈》,作者沈括,依次介绍了指南针的四种使用方法。它们是:水浮法、指爪法、碗沿法、悬挂法。

        外传与影响

        在北宋人朱或1119年成书的《萍洲可谈》中,有这样一段文字:“甲令海舶,大者数百人。小者百余人……舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针”。
一些外国学者在翻译这段文字时,误将其中的“甲令”(南宋政府的命令)一词翻译成了往来海上的阿拉伯船长的名字,因此就一错再错,得出了最早装备指南针的不是中国海船,而是阿拉伯海船的错误结论。
        实际上,中世纪时阿拉伯人海船船体狭小,根本无法容纳百余人。当时往来南中国海、印度洋和波斯湾之间的商船,能够容纳上百人的只有中国海船,连阿拉伯商人也经常搭乘中国海船。宋代与阿拉伯的海上贸易十分频繁,中国开往阿拉伯的大型船队有指南针导航,阿拉伯人是很容易从中国商船上学到指南针的用法的。
        指南针大约在十二世纪末十三世纪初之际,传到阿拉伯,然后又由阿拉伯传入欧洲,后来欧洲演变出旱罗盘,再於明代时经日本传回我国。
        指南针对西方最大的影响莫过于西方开始海外大探险。
        结合当时国家有计画的海外探险,以及天文、地理、造船、航海技术的配合,再加上罗盘的使用,因而造成西方一连串的海外探险。就世界范围来说,指南针在航海上的应用,导致了以后哥伦布(约1451-1506)对美洲大陆的发现和麦哲仑(约1480-1521)的环球航行。这大大加速了世界经济发展的进程,为资本主义的发展提供了必不可少的前提。
        在各国相竞的向外发展下,新航线、新大陆逐一被发现,让欧洲人在短时间内看到更多不同的事物与民族,进而促使欧洲人以客观的观察和比较的眼光来看待不同的民族与文化,是为指南针的另外更深远的影响。

        制作方法

        材料:缝衣针、蜡烛、铁丝、冷水、透明塑料瓶、铁锤、细木棒
        制作方法:
1.用铁丝缠住缝衣针,然后放入火中烧红,之后马上浸入冷水中冷却。要记住:浸的时候一定要把针按南北方向摆放,这样针才能变成小磁针。还有,你一定要小心别烫着!
2.把塑料瓶剪去口,用铁锤在底部的中央扎一个孔,然后把细线一端拴在小磁针的中部,再把线从孔中穿过。倒立塑料瓶,使小磁针慢慢静止,这时你会发现,小磁针的一端指向的是南方,另一端指的是北方。
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        现代指南针

        现代人制作了各种电子指南针,美国的苹果手机中就有这个软件,甚至在GPS中也会用到。电子指南针将替代旧的针式指南针或罗盘指南针,因为电子指南针全采用固态的元件,还可以简单地和其他电子系统接口。电子指南针系统中磁场传感器的磁阻(MR)技术是最佳的解决方法,和现在很多电子指南针还在使用的磁通量闸门传感器相比较,MR技术不需要绕线圈而且可以用IC生产过程(IC-like process)生产,是一个更值得使用的解决方案。由于MR有高灵敏度,它甚至比这个应用范围中的霍尔元件更好。
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        指南针与偏磁角

指南针不仅仅指出南北方向,还指出一条磁子午线,这条磁子午线是随一年四季变化的。其一,在春风,秋风这天,磁子午线与子午线,以及地球的经线三线重合,指南针直指地球的南北方向极点,误差只有0.08度地轴偏心率,可以忽略不计。其二,在夏至,冬至这天,磁子午线和子午线是不重合的并且偏磁角最大,最大偏差量为征服23.26度,也就是说在地球南北极附近偏磁点最大,用地球的周长除以365度角,等于偏磁极点对应南北极点的距离(正负弧度公里)。可以讲纬度线越高偏磁角越大,相反,纬度越低偏磁角越小,“太阳同步轨道词条”详细诠释了地球和太阳同步轨道是随一年四季变化的论述,也就是说轨道变化与引力有关系,引力又和地磁场的引力等效,并表示出地球和太阳的取向角度,轨道绕地球产生倾角,假如去处人为设定卫星轨道倾斜度7.8度,那么,地球明暗部分中间那条线就是磁子午线,而卫星轨道是随一年四季变化的四幅小图,为什么?因为一切事物都是相对而言,都有正反两方面,即,磁子午线指向不变,而地球的经线轨道在变化。
当我们走进科技馆时,地球仪映入我们眼帘,首先给人第一印象是地轴偏斜了23度半的球体。仔细观察发现地球的北极点不是球体的最高点,南极点也不是球体的最低点,这是为什么呢?探究所以,钩深致远多年,通过学习现有知识,发现地轴偏斜23.26度,使球体面发生了改变。再看地球仪半圆框架刻度盘在取向上,又发现北极轴在方向偏斜23.26度,的地方是球体表面的最高点,南极轴方向向上偏斜23.26度的地方是球体表面的最低点,我试着在最高点与最低点之间画一条轴线,惊奇的发现,这条线的纵线和黄道面水平横线相交,恰好垂直为90度,猛然开悟,这不是我梦寐以求要找的纵向磁子午线吗!偏磁极点吗,磁引力线就是从极点发出的吗?以及地球和太阳的引力线吗。即纵线轴心线就是磁子午线,横向轴心线就是太阳吸引地球的引力线。
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司南(指南针)中国古代四大发明之一:等您坐沙发呢!

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