还有哪些关于指南针的知识
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发布时间：2022-04-23 21:11
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时间：2023-03-02 05:08
指南针概述
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，终于发明了可以实用的指南针。
磁子午线的切线
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。
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。
指示方向原理
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。
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。
指南针的始祖
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。《鬼谷子》中记载了司南的应用，郑国人采玉时就带了司南以确保不迷失方向。
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。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*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[1]，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》[2][3]。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”）[4][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[6]。但这些质疑还没有被科技史学界所普遍接受[7][8]。
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。
指南针的样式
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[1]。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。
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*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。
