發明指南針的故事

　　指南針是古代漢族勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認識的結果。作為中國古代四大發明之一，它的發明對人類的科學技術和文明的發展，起了無可估量的作用。那麼你知道嗎?一起來看看小編給大家精心準備的資料，歡迎閱讀!

　　大家知道，指南針是我國古代的四大發明之一。但其發明並不簡單，也是一個長期發展演變，在古代有不同的形狀，如司南、指南魚、指南針、羅盤等。據說黃帝時代，黃帝部族在於蚩尤部族的戰爭中，因大霧瀰漫、不辨清方向而戰敗，因而創造指南車。但指南車是一種機械定向裝置，與指南針這一磁性指向裝置有本質區別。

　　春秋時期，古人已認識到磁石的性質及其與礦產之間的聯絡，如《呂氏春秋》中稱“慈石召鐵，或引之也”，《管子·地數》中記載“上有磁石者，下有銅金”。據說秦始、皇用磁石建造了阿房宮的北闋門，人若暗藏刀劍等則被吸住，記得有部電影裡就有這個鏡頭。

　　最早的指南儀器是司南，戰國時已有類似記載。東漢王充《論衡》中明確記載道“司南之杓，投之於地，其柢指南。”司南的的效果不是很好，因為在磨製天然磁石成為勺子狀的過程容易導致磁性減弱，並且有較大的轉動摩擦力。唐代時已有使用指南浮針的記載，北宋初曾公亮《武經總要》中記載了指南魚的具體的製造工藝，南宋還有木刻指南魚和木刻指南龜等裝置。但最重要的指南針記載是北宋沈括《夢溪筆談》：

　　方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也，水浮多蕩搖。指爪及碗脣上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。其中有磨而指北者。餘家指南、北者皆有之。磁石之指南，猶柏之指西，莫可原其理。

　　這段文明確了指南針，並總結了四種指南裝置，即把磁針橫穿在燈心草上放在水面上的水浮法，將磁針放在指甲上指甲旋定法，把磁針放在碗脣口上的碗脣旋定法，用懸絲繫住磁針來定向的縷懸法。並且，還指出了指南針指向“常微偏東，不全南”，說明沈括已經發現磁偏角，這比哥倫布1492年在海上探險途中發現磁偏角要早400多年。

　　大約也在北宋時，指南針用於航海，開創了人類航海的新紀元。在此之前，海上定向只能依據天象，如遇隱晦天氣就沒有辦法了。到元代時，還專門編制出羅盤針路，對針位、針路都有標識，即是記錄船行的方向、時間、距離等資訊。明代鄭和七下西洋，就綜合運用了羅經指向、天文定位、計程計速等航海技術。

　　指南針不僅大大地推動了我國古代航海業的發展，也為古代世界的航海事業的發展做出巨大的貢獻。大約在北宋末南宋初，中國的指南針經過阿拉伯傳入歐洲。此後歐洲又對航海羅盤作了一些改進。然而，正如沈括所言“莫可原其理”，中國在明清時依然對磁性沒有進一步的認識。但1600年英國人吉爾伯特，經過觀察、實驗等方法，提出了了地磁場理論，並研究了電磁現象。此後西方科學更是逐漸深入，遠超中國了。

　　拓展：現代指南針

　　現代人制作了各種電子指南針，美國的蘋果手機中就有這個軟體，甚至在GPS中也會用到。

　　電子指南針將替代舊的針式指南針或羅盤指南針，因為電子指南針全採用固態的元件，還可以簡單地和其他電子系統介面。電子指南針系統中磁場感測器的磁阻***MR***技術是最佳的解決方法，和現在很多電子指南針還在使用的磁通量閘門感測器相比較，MR技術不需要繞線圈而且可以用IC生產過程***IC-like process***生產，是一個更值得使用的解決方案。由於MR有高靈敏度，它甚至比這個應用範圍中的霍爾元件更好。

　　指南針與偏磁角

　　指南針不僅僅指出南北方向，還指出一條磁子午線，這條磁子午線是隨一年四季變化的。其一，在春分，秋分這天，磁子午線與子午線，以及地球的經線三線重合，指南針直指地球的南北方向極點，誤差只有0.08度地軸偏心率，可以忽略不計。其二，在夏至，冬至這天，磁子午線和子午線是不重合的並且偏磁角最大，最大偏差量為征服23.26度，也就是說在地球南北極附近偏磁點最大，用地球的周長除以365度角在*正負23度，等於偏磁極點對應南北極點的距離***正負弧度公里***。可以講緯度線越高偏磁角越大，相反，緯度越低偏磁角越小，“太陽同步軌道詞條”詳細詮釋了地球和太陽同步軌道是隨一年四季變化的論述，也就是說軌道變化與引力有關係，引力又和地磁場的引力等效，並表示出地球和太陽的取向角度，軌道繞地球產生傾角，假如去處人為設定衛星軌道傾斜度7.8度，那麼，地球明暗部分中間那條線就是磁子午線，而衛星軌道是隨一年四季變化的四幅小圖，為什麼?因為一切事物都是相對而言，都有正反兩方面，即，磁子午線指向不變，而地球的經線軌道在變化。

　　當我們走進科技館時，地球儀映入我們眼簾，首先給人第一印象是地軸偏斜了23度半的球體。仔細觀察發現地球的北極點不是球體的最高點，南極點也不是球體的最低點，這是為什麼呢?探究所以，鉤深致遠多年，通過學習現有知識，發現地軸偏斜23.26度，使球體面發生了改變。再看地球儀半圓框架刻度盤在取向上，又發現北極軸在方向偏斜23.26度，的地方是球體表面的最高點，南極軸方向向上偏斜23.26度的地方是球體表面的最低點，我試著在最高點與最低點之間畫一條軸線，驚奇的發現，這條線的縱線和黃道面水平橫線相交，恰好垂直為90度，猛然開悟，這不是我夢寐以求要找的縱向磁子午線嗎!偏磁極點嗎，磁引力線就是從極點發出的嗎?以及地球和太陽的引力線嗎。即縱線軸心線就是磁子午線，橫向軸心線就是太陽吸引地球的引力線。

　　裝置

　　關於磁針的裝置方法，沈括介紹了四種方法：

　　1.水浮法——將磁針上穿幾根燈心草浮在水面，就可以指示方向。

　　2.碗脣旋定法——將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以旋轉，指示方向。

　　3.指甲旋定法——把磁針擱在手指甲上面由於指甲面光滑，磁針可以旋轉自如，指示方向。

　　4.縷懸法——在磁針中部塗一些蠟，粘一根蠶絲，掛在沒有風的地方，就可以指示方向了。

　　沈括還對四種方法做了比較，他指出，水浮法的最大缺點，水面容易晃動影響測量結果。碗脣旋定法和指甲旋定法，由於摩擦力小，轉動很靈活，但容易掉落。沈括比較推重的是縷懸法，他認為這是比較理想而又切實可行的方法。事實上沈括指出的四種方法已經歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針。

　　南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜的製作方法。這種指南魚與《武經總要》一書記載的不一樣，是用木頭刻成魚形，有手指那麼大，木魚腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的S極指向魚頭，用蠟封好後，從魚口插入一根針，就成為指南魚。將其浮於水面，魚頭指南，這也是水針的一類。

　　指南龜是當時流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜的腹內，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對準並放置在直立於木板上的頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個固定的、可以自由旋轉的支點上了。由於支點處摩擦力很小，木龜可以自由轉動指南。當時它並沒有用於航海指向，而用於幻術。但是這就是後來出現的旱羅盤的先聲。

　　指南龜發明年代不晚於1325年。木塊刻成龜型，龜腹部中心嵌以磁體，木龜安放在尖狀立拄上，靜止時首尾分指南北。

　　羅盤定位

　　要確定方向除了指南針之外，還需要有方位盤相配合。最初使用指南針時，可能沒有固定的方位盤，隨著測方位的需要，出現了磁針和方位盤一體的羅盤。羅盤有堪輿用的羅經盤和水羅盤、旱羅盤。

　　方位盤仍是二十四向，但是盤式已經由方形演變成圓形。這樣一來只要看一看磁針在方位盤上的位置，就能斷定出方位來。南宋時，曾三異在《因話錄》中記載了有關這方面的文獻：“地螺或有子午正針，或用子午丙壬間縫針。”這是有關羅經盤最早的文獻記載。文獻中所說的“地螺”，就是地羅，也就是羅經盤。文獻中已經把磁偏角的知識應用到羅盤上。這種羅盤不僅有子午針***確定地磁場南北極方向的磁針***，還有子午丙壬間縫針***用日影確定的地理南北極方向***這兩個方向之間的夾角，就是磁偏角。

　　盤面周圍刻二十四方位，內中盛水，磁針橫穿燈草，浮於水面。

　　現在人們已經知道，地球的兩個磁極和地理的南北極只是接近，並不重合。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極，這樣磁針指的就不是正南、正北方向而略有偏差，這個角度就叫磁偏角。又因為地球近似球形，所以磁針指向磁極時必向下傾斜，和水平方向有一個夾角，這個夾角稱為磁傾角。不同地點的磁偏角和磁傾角都不相同。成書於北宋的《武經總要》在談到用地磁法制造指南針時，就注意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》談到指南針不全指南，常微偏東。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁傾角的發現使指南針的指向更加準確。