指南针的发明与改进

我国指南针的发明经过漫长的岁月。古人在发明了司南之后，不断在进行改进，运用人工磁化的方法制成了一种新的指南工具指南鱼、指南龟。

古人在使用新指南工具的同时，还发现了地磁偏角现象，给后人以极大启发。

据说秦始皇在位时，身边网罗了一批术士来为他寻求长生不老之药。

有一天，一位叫徐福的术士奏本说：“在东方的大海上有3座神山，名叫蓬莱、方丈、瀛洲，仙人们都在那里居住。请皇帝让我率领一批男女儿童前往寻求。”

秦始皇很高兴，马上选派了几千名儿童，又为他造了艘大船，让他从现在的山东日照县附近出海，寻求不老之药。谁知徐福一去不返，不知道他把这些男女少年带到了何方。

几千年过去了，秦始皇早已成为历史的陈迹。但徐福渡海求药的故事并没有被人们忘记。如果情形真是如此的话，那么徐福可以算得上我国航海家中的先驱人物。

事实上，古代先民们面对茫茫海洋，虽然有探险探秘的愿望，但总是无法如愿。

出海困难并非是由于造船技术限制了古人们的越洋交流，更主要的原因是由于当时在海上无法辨别方向，方向不明。纵然有可以横渡大洋的船只，也会在海上迷路，最终葬身海底。

因此，指南针的发明可以说是给海船装上了眼睛，为航海业的发展提供了最基本的技术条件。

指南针是我国最早发明的，但它是经过漫长的岁月逐渐发展改进而成的。

司南发明后，古人能够在远行中辨别方向。但司南有其局限性，用磁石制造司南，磁极不容易找准，而且在琢制的过程中，磁石因受震动而会失去部分磁性。

再加上司南在使用时底盘必须放平，体积比较大，所以在使用时，很难令人满意。因此，古人在发明了司南之后，不断在进行改进。

继司南之后，我们的祖先又制成了一种新的指南工具，即指南鱼。

北宋时期，农业、手工业和商业都有了新的发展。在这个基础上，我国的科学技术获得了辉煌的成就。宋代时候，我国在指南针的制造方面，跟造纸法和印刷术一样，也有很大的发展。

当时有一部官编的军事著作叫《武经总要》，其中记载：行军的时候，如果遇到阴天黑夜，无法辨明方向，就应当让老马在前面带路，或者用指南车和指南鱼辨别方向。

《武经总要》这部书是在1044年以前写成的。这就是说，在那个时候，我国已经有指南鱼，并且把它应用到军事方面去了。

指南鱼是用一块薄薄的钢片做成的，形状很像一条鱼。它有两寸长，5寸宽，鱼的肚皮部分凹下去一些，可以像小船一样浮在水面上。

钢片做成的鱼没有磁性，所以没有指南的作用。如果要它指南，还必须再用人工传磁的办法，使它变成磁铁具有磁性。

关于怎样进行人工传磁，《武经总要》记载：把烧红的铁片放置在子午线的方向上。铁片烧红后，温度高于磁性转变点时的温度，铁片中的原来无序状态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。

我国人发明用人造磁铁做指南鱼，这是一个很大的进步。这说明我国古人很早就已具有相当丰富的磁铁知识了。

就在钢片指南鱼发明后不久，又有人发明了用钢针来指南。这种人工磁化的小钢针，可算是世界上最早制成的真正的指南针了。

北宋时期科学家沈括在《梦溪笔谈》中提到一种人工磁化的方法：技术人员用磁石摩擦缝衣针，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。

关于磁针的装置方法，沈括介绍了4种方法：

一是水浮法，就是将磁针上穿几根灯心草浮在水面，就可以指示方向。

二是碗唇旋定法，就是将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转指示方向。

三是指甲旋定法，就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。

四是缕悬法，就是磁针中部涂一些蜡，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4种方法进行比较，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。

沈括比较推崇的是缕悬法，他认为这是比较理想而又切实可行的方法。沈括指出的4种方法，已经归纳了迄今为止指南针装置的两大体系，即水针和旱针。

另外，由于长江黄河流域一带地磁有大约50度左右的倾角，如水平放置指南鱼，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。

长江黄河流域一带的地磁倾角，这一现象后来被称为磁偏角。沈括在《梦溪笔谈》第二十四卷中写道，磁针能指南，“然常微偏东，不全南也”。

这是世界上现存最早的磁偏角记录。在西方，直至1492年哥伦布在横渡大西洋时才发现磁偏角这一现象，比沈括晚了400多年。

磁偏角是指磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。各个地方的磁偏角不同，而且，由于磁极也处在运动之中，某一地点磁偏角会随之而改变。

在正常情况下，我国磁偏角最大可达6度，一般情况为两三度。东经25度地区，磁偏角在一两度之间；北纬25度以上地区，磁偏角大于2度；若在西经低纬度地区，磁偏角是5度至20度；西经45度以上，磁偏角为25度至50度。毫无疑问，沈括对磁偏角的发现与认识启发了后人。

南宋学者陈元靓在《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。

指南龟也是南宋时期流行的一种新装置，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。

这种木头指南鱼和指南龟，很可能是一些懂得方术的方士创造的，做成以后只是用来变戏法。所以《事林广记》的作者，把它们当做《神仙幻术》了。

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驱。

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。

[旁注]

徐福　秦代著名方士，是鬼谷子先生的关门弟子。他博学多才，通晓医学、天文、航海等知识，而且同情百姓，故在沿海一带民众中名望颇高。曾被秦始皇派遣，出海采仙药，一去不返。后有徐福在日本的平原、广泽为王之说。

《武经总要》　北宋时期官修的一部军事著作。作者为宋仁宗时的文臣曾公亮和丁度。两人奉皇帝之命用了5年的时间编成。该书是我国第一部规模宏大的官修综合性军事著作，对于研究宋代以前的军事思想非常重要。其中大篇幅介绍了武器的制造，对科学技术史的研究也很重要。

磁畴　是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，它们都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性，只有当被磁化后才能对外显示。

磁偏角　是指磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。因指南针、磁罗盘是测定磁偏角最简单的装置，所以磁偏角的发现和测定的历史也很早。磁针指北极N向东偏则磁偏角为正，向西偏则磁偏角为负。

《事林广记》　南宋时期陈元靓所撰日用百科全书。门类广泛，天文、地理、政治、社会、文学、游艺，无所不包。包含较多的市井状态和生活顾问材料，插图很多。它开辟了后来类书图文兼重的途径，明代的《三才图会》、清代的《古今图书集成》都受其影响。

[阅读链接]

北宋时期科学家沈括的科学成就是多方面的。

他提倡的新历法，与今天的阳历相似；记录了指南针原理及多种制作法，发现地磁偏角的存在，阐述凹面镜成像的原理，对共振等规律加以研究；他对于有效的药方，多有记录，并有多部医学著作；他创立“隙积术”和“会圆术”；他对冲积平原形成、水的侵蚀作用等都有研究，并首先提出石油的命名。

此外，他对当时科学发展和生产技术的情况，如毕昇发明的活字印刷术、金属冶炼的方法等皆详为记录。