![指南針[儀器]](/img/6/70b/nBnauM3XyUTO5kTO3IzM4IzN5MTM0gTMxATNyQTNwAzMwIzLyMzLyczLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg "指南針[儀器]")
原理
貢獻
指南針古人認為地是平的、大小有限，這樣地表面必然有箇中心，過該中心的那條子午線就是唯一的南北方向。南宋人曾三異等認為，一旦測量地點不在這條南北線上，指南針所指向自然“少偏”。到明代，有人假託南唐人著作指出，指南正針由大地方位系統決定，而偏角則由天體方位劃分系統所決定。關增建認為，這種說法“體現了傳統指南針理論在陰陽感應學說和磁偏角的存在這一矛盾面前所表現出來的窘迫”。明萬曆年間（公元1573～1620年），傳教士來華，帶來西方的指南針理論、地球學說以及相關科技知識。受其影響，中國學者開始從新的視角探討指南針理論問題，在此過程中，陰陽五行的作用不斷淡化，力學角度的分析不斷增加，但吉爾伯特1600年提出的科學理論連西方學界都沒統一，更談不上入主東土。傳教士中，1658年抵華的比利時耶穌會士南懷仁的指南針理論最系統，但他認為決定磁針指向的是地球的地理南北兩極本身，理論仍然局限在古代科學的範圍，而不像吉爾伯特認識到地球本身存在一個磁體。南懷仁理論在中國影響深遠，直到19世紀中葉，中國仍有學者用它解釋指南針問題。而此時，清末來華的傳教士已開始著手把西方近代磁學知識介紹給中國了。
貢獻
指南針一經發明很快就被套用到軍事、生產、日常生活、地形測量等方面，特別是航海上。指南針在航海上的套用有一個逐漸發展過程。成書年代略晚於《夢溪筆談》的《萍洲可談》中記有：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針。”這是世界航海史上最早使用指南針的記載。文中指出，當時只在日月星辰見不到的時候才使用指南針，可見指南針剛開始使用時，使用還不熟練。二十幾年後，許兢的《宣和奉使高麗圖經》也有類似的記載：“惟視星斗前邁，若晦冥則用指南浮針，以揆南北。”到了元代，指南針一躍而成海上指航的最重要的儀器了。不論晝夜晴陰都用指南針導航了。而且還編制出使用羅盤導航，在不同航行地點指南針針位的連線圖，叫做“針路”。船行到某處，採用何針位方向，一路航線都一一標識明白，作為航行的依據。
指南針傳到歐洲航海家的手裡，使他們有可能發現美洲和實現環球航行，為西方奠定了世界貿易和工場手工業發展的基礎。
磁的發現
指南針漢朝以前人們把磁石寫做“慈石”，是慈愛石頭的意思。既然磁石能吸引鐵，那么是否還可以吸引其他金屬呢？先民做了許多嘗試，發現磁石不僅不能吸引金、銀、銅等金屬，也不能吸引磚瓦之類的物品。西漢的時候人們已經認識到磁石只能吸引鐵，而不能吸引其他物品。當把兩塊磁鐵放在一起相互靠近時，有時候互相吸引，有時候相互排斥。現在人們都知道磁體有兩個極，一個稱N極，一個稱S極。同性極相互排斥，異性極相互吸引。那時的人們並不知道這個道理，但對這個現象還是能夠察覺到的。到了西漢，有一個名叫欒大的方士，他利用磁石的這個性質做了兩個棋子般的東西，通過調整兩個棋子極性的相互位置，有時兩個棋子相互吸引，有時相互排斥。欒大稱其為“斗棋”。他把這個新奇的玩意獻給漢武帝，並當場演示。漢武帝驚奇不已，龍心大悅，竟封欒大為“五利將軍”。欒大利用磁石的性質，製作了新奇的玩意矇騙了漢武帝。地球也是一個大磁體，它的兩個極分別在接近地理南極和地理北極的地方。因此地球表面的磁體，可以自由轉動時，就會因磁體同性相斥，異性相吸的性質指示南北。這個道理古人不夠明白，但這類現象他們很清楚。
發明始祖
指南針東漢時的王充在他的著作《論衡》中對司南的形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經過琢磨製成勺型，勺柄指南極，並使整個勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置於光滑的地盤之中，地盤外方內圓，四周刻有乾支四維，合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀察了許多自然界有關磁的現象，積累了大量的知識和經驗，經過長期的研究才完成的。司南的出現是人們對磁體指極性認識的實際套用。但司南也有許多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時容易因打擊、受熱而失磁。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤接觸處要非常光滑，否則會因轉動摩擦阻力過大，而難於鏇轉，無法達到預期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，這可能是司南長期未得到廣泛套用的主要原因。司南由青銅盤和天然磁體製成的磁勺組成，青銅盤上刻有二十四向，置磁勺於盤中心圓面上，靜止時，勺尾指向為南。
但司南是磁性指南工具的一觀點一直受到學術界的質疑。首先，在《論衡》中，並未指出司南是磁勺子，而且，在剛認識到磁石吸鐵的同時就發現其指極性不符合認識的規律，另外要把磁石加工成能指南的磁勺，要有意識地‘順其南北極向’磨鏤。在十一世紀指南針發明以前，古文獻中從未有過磁石兩極以及它的指極性的記述。50年代錢臨照院士曾受郭沫若之託試圖以天然磁石製做勺形司南，但因天然磁石磁距小、底部摩擦大而未成功。而王振鐸先生的復原物為鎢鋼在人工電磁場中磁化，這在兩千多年前是無法辦到的。現在北京的中國歷史博物館已不再展出司南的模型。東北師大教授劉秉正於1956年就對司南的磁勺說提出質疑，80年代後又通過用天然磁石指極性實驗以及考據指出《論衡》以及《瓢賦》中的司南是天上的北斗，而其它的文獻中的司南或是指南車如《鬼谷子》，可能是行事的準則，也有可能指官職如《韓非子》。其他也有一些學者如中國科技大學教授李志超認為司南是磁石放在瓢中，杭州大學教授王錦光提出司南是磁勺子放到水銀池中（《論衡》中的地為“池”）。2005年中國國家博物館研究員孫機根據前北平歷史博物館舊藏殘宋本《論衡》認定“司南之杓”杓字實為酌，那么看來“其柢指南”之柢也非指勺柄，司南是機械齒輪裝置的指南車。但這些質疑還沒有被科技史學界所普遍接受。
另外人們常把指南車當成磁性指南工具，實際上指南車是套用機械原理進行指南的。這在學術文獻中也經常被混淆。如認為《鬼谷子》中的司南是磁性指南工具。實際上歷代引《鬼谷子》中的司南從前後文看都是說指南車。如《宋書·禮志》，唐·李善注《文選》中左思吳都賦，《太平御覽·車部四》等。這是在閱讀文獻是應該注意的。
天然磁石指極性實驗及司南的詞義辨析的爭論
中科院自然科學史研究所研究員林文照先生於1987年用王振鐸先生的兩個磁勺子進行實驗，他發現無論是在銅盤或漆盤上，一邊鏇轉一邊上下擺動磁勺子，勺柄都能很好地指南，大多數的誤差小於5度。但東北師範大學教授劉秉正先生用7種不同產地的天然高品位的鐵礦石（4個製成條形，3個製成勺形）並進行人工飽和磁化，條形以曲率半徑1.9cm的圓形小玻璃皿支撐（模擬勺形底），於玻璃板或銅板上進行實驗，他發現磁棒都有一定的趨極性：磁棒有時可轉向南北，有時又不然。靜止放置時可偏離南北少則二三十度，有的則可停在任意方向。只有使磁棒一邊轉動一邊上下擺動，磁棒才可大體上指向南北，但也有10-20度的誤差。劉秉正先生認為磁棒運動只能以磁棒一邊轉動一邊擺動（王振鐸和林文照稱為播動）的方式來實驗不符合《論衡》中“投之於地”的說法。另外林文照先生的指南實驗誤差大多在5度以內，這比地磁偏角（南偏東6度2分）必然引起的系統誤差還小，是不合理的。故此劉秉正先生認為司南磁勺說有不合理之處並提出《論衡》和《瓢賦》中的司南應解釋為北斗。當北天的北斗的勺柄三星指向（投向）地面（北方）時，勺底的璇璣二星指向南方。這種解釋正好與唐朝崔損的《北斗賦》中的“履端於始，當獻歲（即歲首）以指南；舉正於中，在陰方而主北”的賦文相合。當然，北斗的這種指南作用，由於季節不同而時刻不同，冬季歲首在黃昏剛入夜時，秋季在深夜，夏季在清晨。另司南解釋為北斗與司南的另一解釋-指南車相符合。《史記.天官書》中有“斗為帝車，運於中央，臨制四鄉。分陰陽，建四時，均五行，移節度，定諸紀，皆繫於斗。”之語。北斗又與司南（指南）引申為指導或準則相符。如前述的《史記.天官書》以及《甘石星經》中有“北斗星謂之七政，天之諸侯，亦為帝車。魁四星為璇璣，勺三星為玉衡，齊七政。斗為人群，號令之主，出號司令，布政天中，臨制四方”。又《後漢書•李固傳》今陛下之有尚書，猶天之有北斗也。斗為天喉舌，尚書亦為陛下喉舌。斗斟酌元氣，運平四時。尚書出納王命，賦政四海，權尊勢重，責之所歸。”可見北斗在古人心目中確有極神聖崇高的地位。釋司南為北斗可很好的自圓其說。而指南功能並不穩定的磁勺子難以起到上述作用。
“吸鐵石”說起
指南針發明歷史
指南針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.碗唇鏇定法——將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以鏇轉，指示方向。
3.指甲鏇定法——把磁針擱在手指甲上面由於指甲面光滑，磁針可以鏇轉自如，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。碗唇鏇定法和指甲鏇定法，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，有手指那么大，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、可以自由鏇轉的支點上了。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套用到羅盤上。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》在談到用地磁法製造指南針時，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。
磁性套用
指南針魏晉南北朝時，中國先民對磁石的性質已有了很多認識。就連當時的詩人曹植在矯志詩中也用了“磁石引鐵，於金不連。”的句子。可見他也了解磁石的性質。南北朝梁代的陶弘景在《名醫別錄》中提出了磁力測量的方法，他指出：優良磁石出產在南方，磁性很強，能吸引三、四根鐵針，使幾根針首尾相連掛在磁石上。磁性更強的磁石，能吸引十多根鐵針，甚至能吸住一、二斤刀器。陶弘景不僅提出了磁性有強弱之分，而且指出了測量方法。這可能是世界上有關磁力測量的最早記載。中國先民對磁石的性質的研究和認識是指南針發明和發展的基礎。指南針在古代主要被堪輿家們用於相宅相墓，同時也被用於航海及其他。正是這後者對人類社會進步發揮了巨大作用，因而指南針才得以躋身於古代四大發明的行列。我國典籍記載指南針用於航海，始於宋代朱彧1119年寫的《萍洲可談》，書中寫道：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針。”之後，類似的文獻層出不窮，這表明在航海活動中，指南針普及得相當快。這一發明後來經阿拉伯傳入歐洲，對歐洲的航海業乃至整個人類社會的文明進程，都產生了巨大影響。
電子產品
指南針是一個重要的導航工具，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接口。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-likeprocess）生產，是一個更值得使用的解決方案。由於MR有高靈敏度，它甚至比這個套用範圍中的霍爾元件更好。
名稱來歷
指南針在大英百科全書中，有兩個不同的詞條來解釋：第一個詞條為“directiondeterminants”，即方向指定儀器，解釋如下：“中國古代四大發明之一，有磁指南和機械指南兩種，磁指南發明於公元前3世紀，稱為‘司南’機械指南儀器為指南車，約在3世紀發明”。第二個詞條為“compass”，譯為“羅盤”，即通常意義上用於航海的指南針。解釋如下：“航海或勘測時在地球上使用的基本測向儀器，最老、最常用的羅盤為磁羅盤，12世紀，顯然中國和歐洲的航海家都各自發現，一塊天然磁石，一種自然界存在的磁性礦石，漂在水中木棒上時總是指向北極星方向”兩個詞條其實是對指南針作了區分。一種是在陸地上、較簡單的指南儀器，源於中國司南(也應該僅僅使用於出產在中國的指南針)，另一種是用於航海和勘測上、較專業的指北儀器，歐洲和中國同時出現，無先後之分。分歧就這么出來了，對比這兩個詞條，發現大英百科全書似乎把“中國是最早發明指南針”這一說法完全給推倒了，因為在歐洲歷史上，羅盤才是真正的“指南針”，並在歐洲人發現新大陸、爭霸海權和開拓殖民地等近現代歷史的決定性事件中，與火炮和航海術一樣扮演了功不可沒的角色。對“中國古老的指南針”不但否定，而且用了兩個不同的詞條加以區分。在中國大百科全書中，也有指南針和羅盤(磁羅盤)兩個詞條，但不論是對指南針的解釋，還是對羅盤的解釋，都最終追溯了到戰國的“司南”，這兩種不同的指向儀器是同源關係，而沒有像歐洲觀念中區分的如此涇渭分明。
因此，康熙的說法和佩雷菲特對其的嘲笑便有了答案——顯然，康熙認同指南針和羅盤同出一源，用來指南，而作者佩雷菲特則按西方人的觀念，認為指南針顯然應該是羅盤；佩雷菲特則認為，羅盤是歐洲人自己發明的，與中國的“司南”沒有必然聯繫，羅盤用來指北，而中國的司南則用來指南。這似乎是一種不同文化背景上的誤解。當然，羅盤和“司南”到底什麼關係，現在還是各有各的說法。此外，佩雷菲特對康熙固執地認為指南針用來指南作了解釋。他認為，康熙之所以認為指南針用來指南，是因為在中國古代文化中，南是四個方位中最尊貴的方位，皇帝的御座、宮殿、陵墓，寺廟，甚至紫禁城，一切尊貴的建築物都朝向南方。他繼續寫道，“雖然皇帝是來自北方的滿人，他的論據卻是始料不及的：‘在北方，一切活動在凋萎，在衰亡。吸引磁針的力量怎么可能來自北方呢？’‘力量、精氣和繁榮都在南方’”。聽佩雷菲特一說，似乎也不無道理。但，中國史書上對司南的記述確實為“其柢指南”，並沒有因為後來“南”變成了一種皇帝尊貴的象徵才改的方向。這位曾先後六次訪問中國的法蘭西學院院士，用這種說法來解釋康熙認為指南針指南是合理的這一固執的想法，到底算是對中國文化的理解，還是誤解呢？到現在來說，中國人認為指南針指南，歐洲人認為指南針指北，皆合理。因為現在的指南針為棱形，指針兩頭均衡，並非如“司南”只有一個杓柄，指南指北之爭，似乎徒費口舌。
發展史載
指南針戰國時期，人們利用磁石指示南北的特性製成了指南工具──司南。但是，戰國時期的司南是什麼樣子無法考證。《中國歷史》課本插圖──“司南”，是根據中國歷史博物館展品“漢代司南模型”繪製的。這個模型是後人根據史書記載以及地下出土的漢代地盤實物製成的。地盤是青銅做成的，內圓外方，中心圓面磨得非常光滑，以保證勺體指示方向的準確性。中心圓外圍依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，總計二十四個方位。地盤中心的小勺是用整塊的天然磁鐵磨成的，磁鐵的正極磨成司南的長柄，勺頭底部是半球面，非常光滑。使用時先把地盤放平，再把司南放在地盤中間，用手撥動勺柄，使它轉動，等到司南停下來，勺柄所指方向就是南方。這種勺形司南直到八世紀時仍在套用。
到了宋代，勞動人民掌握了製造人工磁體的技術，又製造了指南魚。指南魚是把薄鋼片剪成魚形，長二寸，寬五分，魚的肚皮部分凹下去，使魚象船一樣能浮在水面上。然後把魚和天然磁鐵放在一起，由於磁體的吸力，鋼片受磁感應也具有磁性。這種人工傳磁方法製成的指南魚比使用司南方便多了，只要有一碗水，把指南魚放在水面上就能辨別方向了。經過長期的改進，人們又把鋼針在天然磁體上摩擦，鋼針也有了磁性。這種經過人工傳磁的鋼針可以說是正式的指南針了。沈括在他的《夢溪筆談》中提到他對指南針的用法做過四種試驗，即水浮法、縷懸法、指甲法和碗唇法。“水浮法”是把指南針放在有水的碗裡，使它浮在水面上，指示方向。“縷懸法”就是在磁針中部塗上一些蠟，上面粘一根絲線，把絲線懸在木架上，針下安放一個標有方位的圓盤，靜止時鋼針就指示南北。“指甲法”就是把鋼針放在手指甲面上，輕輕轉動，由於手指甲的光滑，磁針就和司南一樣也能發生指南作用。“碗唇法”是把磁針放在光滑的碗邊上，轉動磁什，便和指甲法一樣發生指南作用。沈括經過精密的觀察實驗，還發現磁針指示的方向並不是正南正北，而是微偏西北和東南，這種發現在科學上叫磁偏角。
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