论指南针的发明

论指南针的发明 VOL 13 NO 3 第 13 卷第 3 期 青岛大学学报 2000 年 7 月 July 2000 JOURNAL QINGDAO UNIVERSITY 文章编号 1006-1037 2000 03-0120-03 * 论指南针的发明 王仙洲 青岛教育学院物理系 青岛 266071 摘要 本文以指南针在中国各个历史时期的不同形式和名称为主线以大量的历史资 料为依据 详细论述了指南针技术在中国古代的发展过程 以及其重大的历史意义和 科学价值 关键词 指南针 发明 中图分类号 O4 文献标识码 B 指南针是中国最早发明的 它是中国古代四大发明之一 我们现在所说的指南针 是个总称 它在各个不同的历史时期有着不同的形式和名称 如司南 司南鱼 指南 针和罗盘等 在大约公元十二世纪末 我国发明的指南针通过海上通路传到阿拉伯 然 后再由阿拉伯传到欧洲 当时中国在电磁学上的发展水平和技术成果远远高于西方 追 溯那段历史 我们在为我国古代科学的辉煌而骄傲的同时 也为我国在近代科学上 落后于西方而感到惋惜 1 指南针的雏形司南 大约在二千多年前 我国古代由于冶炼业的发展 人们在探寻铁矿的过程中 发 现了天然磁石 这是一种以四氧化三铁为主要成分的磁石 迄今为止我国已发现的古 籍中有关磁石的最早记载是战国时期的著作 管子其中 管子 地数篇 有 山中 有慈石者 其下有铜金 的描述 最早明确提出慈石能吸铁的著作是 吕氏春秋 精 通 中所写的 慈石召铁 或引之也 东汉高诱在 吕氏春秋注 中写到石 铁 之母也 也有慈石 故能引其子 石之不慈者 亦不能引也我们看到当时人们对磁 石能吸铁的性质早已了解 而之所以在汉以前把磁石写成 慈石是因为人们把它看 作 慈爱之石 西汉 淮南子 一书中写道若以慈石之能连铁也 而求其引瓦 可见人们也认识到磁石虽然能吸 铁 但却不能吸引则难矣 和 及其于铜则不通 其它物质 磁体指极性的发现大约是在战国时代 这一重大发现为以后指南针的发明奠定了 基础 而指南针的雏形被称为司南 最早记载于公元前三世纪战国末年的 韩非子 有 度 中 故先王立司南 以端朝夕其中 端朝夕 为正四方之意 鬼谷子 谋篇 中也有 郑子取玉 必载司南 为其不惑也 的记载 其中 为其不惑 是为了不迷 失方向的意思 到了东汉时期 王充在他的著作 论衡 中对司南作了比较具体的记 * 收稿日期 2000-05-10 述司南之杓 投之于地 其柢指南杓 为勺子 司南之杓 是指用磁石琢磨 成的勺子 即司南勺地 是指中央光滑的地面柢 是杓的长柄 可见当时人们 是用天然磁石琢制成勺形指南仪器 将它放在光滑的地面中央 让它自由转动起来 它会转至与地磁场的南北极相一致的方向 从而用来确定南北方向 汉朝的 司南 也被用来占卜 占卜术士用它在占卜板上旋转来推测 凶吉由 于天然磁石琢磨成司南杓的成品率低 磁性较弱 转动指南时与地面接触产生的摩擦 阻力较大 因此指南效果受到很大影响 它的应用和流传都受到了一定的限制 后来 逐渐被淘汰了 2 指南鱼和地磁倾角 指南鱼是用人工磁化制造出来的 是从司南到指南针的一种过渡性指南仪器 它的指南效果比司南要好 指南鱼的记载最早出现在西晋时代崔豹著的 古今注 上 北宋初年 公元 1044 年 由曾公亮主编的 武经总要 中详细地记述了指南鱼的制 造及应用方法武经总要 是一部军事大全 书中写道夜色暝黑 又不能辨方向 则当纵老马前行 令识道路 或出指南车或指南鱼 以辨所向 指南车法世不传 鱼 长二寸阔五分 首尾锐如鱼形 置炭火中烧之 候通赤 铁钤钤鱼 法用簿铁叶剪裁 首出火 以尾正对子位 蘸水盆中 没尾数分则止 以密器收之 同时置水碗于无风 处 平放鱼在水面令浮 其首常南向午也 这里记载的制作方法虽是经验之谈 却是 很符合科学道理的 首先把铁片做成鱼状 将其置炭火中加热至通红 通常温度会高 于铁磁质的居里点 铁磁体在这时由于内部分子剧烈热运动的影响 其磁畴便会瓦解 而成为顺磁体 以尾正对北方 在地磁场的作用下 铁片鱼被磁化 当蘸水冷却时 磁畴又重新形成 且排列具有一定的方向性 对着北方的鱼尾被磁化而成指北极 鱼 首则成指南极 所以当铁片鱼浮在水面上时 其首自然会指南 钤鱼首出火没尾数分则止这句话的意思是让铁片朝北下倾数分 这样 可以更接近地磁场的方向 使铁片鱼的磁化效果更好 从这里 我们也可以清楚地看 到一个事实 这就是我国人民早在公元 1044 年以前 就已经发现了地磁倾角的存在 并且在指南仪器的制作过程中加以利用 而西方到公元 1544 年才由德国人哈特曼发现 地磁倾角 比中国至少晚了五百年 从司南到指南鱼 由在地面上转动指南的形式 改进为鱼形铁片在水面上浮动指 南的形式 减少了转动时产生的磨擦 提高了指南的灵敏度 虽然这种磁化所得到的 磁性还是比较弱 限制了指南鱼在实际中的应用 但这毕竟向指南针的发明又迈进了 一大步 3 指南针的发明和应用 随着磁学知识的不断丰富 制造技术的不断发展和完善 人们又制造出了更 灵敏的指南仪器指南针 现已发现关于指南针的最早记载 是见于十一世纪北宋 时期我国著名的科学家沈括晚年所著的 梦溪笔谈 中 沈括在该书卷二十四 杂志 一 中写道方家以磁石磨针锋 则能指南 然常微偏东 不全南也 水浮多荡摇 第 13 卷 122 青岛大学学报 的形状极为相似 在十九世纪现代电磁铁出现之前 几乎所有的指南针都是以这种人 工磁化法制成的 是提示了地磁偏角的存在 而西方直到 1492 沈括所写的 常微偏东 不全南也 年意大利人哥仑布在横渡大西洋的航行中才观察到磁偏角现象比沈括晚了四百多年 将指南针穿上几节灯 1 水浮法 在此文中沈括还总结出了四种放置指南针的方法 2 指甲旋定法 把指 心草 使它浮在水面上以指示方向 其缺点是容易浮摇不定 3 碗唇旋定法 把磁针放在碗边上指示方 南针搁在指甲上也能轻轻转动指示方向 4 缕悬法 用芥子大的 向 这种方法和上种方法的缺点都是容易滑落 不够稳定 一滴蜡在磁针的中间粘一根单股的新蚕丝 悬挂在无风的地方指示方向 沈括通过对 四种方法比较 认为缕悬法效果较好 4 指南针的近代形式罗盘 磁针加上方位盘后合称为 罗盘 或 罗经盘 罗盘的出现是指南针发展史上一 的大进步 最早的罗盘记载是在南宋时曾三异所著因话录 中 地螺或有子午正针 或用子午丙壬间缝针 在这里的 地螺 就是地罗 即罗经盘 子午正针是用磁针来 确定地磁南北极方向 子午丙壬间的缝针则以日影来确定地理南北极方向 两个方向 间所夹的角度即为磁偏角 当时罗盘中磁针指南仍沿用沈括实验过的水浮法 这被称 为水罗盘 到了明嘉靖年间又出现了旱罗盘 它是用钉子支住磁针 尽量减少支点处 的 摩擦阻力 从而使磁针能自由地转动 这种有固定支点的指南仪器与司南相似 但 从灵 敏度上比司南要高得多 而且它比水罗盘更适用于航海 约公元 1275 年 南宋吴 自牧在 梦梁录 中写道风雨晦冥时 惟凭针盘而行 乃火长掌之 毫厘不敢差误 盖一舟人命所系也这一段有关指南针导航的记载 生动地描述了航海中罗盘的重要 性 中国古代在磁学方面的成就是十分重大的 在指南针技术及应用方面 曾长期处 于世界领先地位 这反映出中国古代人民的聪明才智和科学素养 中国古代科学技术 的辉煌与近代科学技术的落后形成的巨大反差的确发人深省 在倡导科技文 明的今天 我们回顾祖国灿烂的古代科技文明 一方面为祖先的辉煌成就而骄傲 另一方面也增 强了我们振兴民族科技的信心 发展科学技术已经成为当今中国面临的最紧迫任务 相信中国的科学技术赶超世界先进水平之时 就是伟大的中华民族复兴之日 参考文献 蔡宾牟. 物理学史讲义 中国古代部分[M]. 高等教育出版社, 1985 [1] 陈毓芳. 物理学史简明教程[M]. 北京师范大学出版社, 1986 [2] INVENTION OF COMPASS WANG Xian-zhou (Education College in Qingdao, Qingdao 266071) Keywords: compass; invention