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阅读 10321 次 历史版本 0个 创建者:小白不白 (2011/3/5 13:24:33)  最新编辑:小白不白 (2011/3/5 13:24:33)
指南針
拼音:zhǐ nán zhēn
英文:compass
同义词条:compass,司南,指南鱼,磁罗盘
 
指南針
指南針
 
 
  指南針是用以判别方位的一種簡單儀器。指南針的前身是中國古代四大發明之一的司南。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉動的磁針。磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的北極,利用這一性能可以辨别方向。常用於航海、大地測量、旅行及軍事等方面。指南針的發明,對於海上交通的發展和經濟文化的交流,起了極大作用。 
 
 
 

指南針概述

 
  指南針的發明年代很早,已經有兩千多年的歷史。我國古籍中,有關指南針的記載很多。指南針是利用磁鐵在地球磁場中的南北指極性而制成的一種指向儀器,它和以齒輪結構的機械指南車不同。現在所說的指南針是個總的名稱,在各個不同的歷史發展時期,它有不同的形體,也有不同的名稱,如司南指南魚、指南針和磁羅盤等等。關於指南針的最初發明者和發明年代現在無可查考。但是有一點是清楚的:指南針是我國古代勞動人民在長期的生產實踐中集體智慧的結晶。  

最早的“指南針”

 
司南
司南
  戰國時代,我國人民利用磁鐵造成了一種指示方向的工具,叫“司南”。“司南”就是指南的意思。
 
  司南的形狀和現在的指南針完全不同。它是根據我國古代的勺子的形狀制成的,很象我們現在用的湯匙。
 
  司南的制成,古書上缺少詳細的記載,又沒有實物留下來,所以我們沒有辦法知道它的准確形狀。根據專家們的研究,司南大約是把整塊的天然磁鐵,輕輕地琢磨成勺子的形狀,並且把它的S極琢磨成長柄,使重心落在圓而光滑的底部正中。
 
  司南做好以後,還得做一個光滑的底盤。使用的時候,先把底盤放平,再把司南放在底盤的中間,用手撥動它的柄,使它轉動。等到司南停下來,它的長柄就指向南方,勺子的口則指向北方。
 
  司南的底盤是用青銅做的,有的是個塗漆的木盤,青銅和漆器都比較光滑,磨擦的阻力比較小,司南轉動起來很靈活。這種底盤内圓外方,四周還刻有表示方位的格線和文字。現在的出土文物中,就有這樣的銅盤和塗漆的木盤;還有東漢時候的一幅石刻,刻着一個小勺子放在一個小方台上,有人認爲這就是司南。
 
  司南是世界上最早的“指南針”。戰國時候,有人去采玉,怕在荒山中迷路,就帶上司南。
 
  司南必須放在光滑的底盤上鏇轉,底盤還必須放平,否則就會影響它指南的作用,甚至會使它從底盤上滑下來。因此,人們發明司南以後,又繼續不斷地研究改進指南的工具。  

指示方向原理

  地球是個大磁體,其地磁南極在地理北極附近,地磁北極在地理南極附近。指南針在地球的磁場中受磁場力的作用,所以會一端指南一端指北。而最早解答“指南針爲何能夠指南”問題的並不是中國人,而是英國科學家吉爾伯特。 

指南針的發展和演變

 
指南針
指南針
  指南針大約在我國戰國時期就已經出現了。最初的指南針是用天然磁石制成的,樣子像一隻勺,底圓,可以在平滑的“地盤”上自由鏇轉,等它靜止的時候勺柄就會指向南方。占人稱它“司南”。東漢的王充,在他的《論衡·是應篇》中曾說:“司南之杓,投之於地,其柢指南。”這里的“地”,是指漢代栻占的方形“地盤”,地盤四周刻有八千(甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸)和十二支(子、醜、寅、卯、辰、已、午、未、申、西、戌、亥),加上四維(乾、坤、糞、民),共二十四向,用來配合司南定向。從戰國、秦漢、六朝以至隋唐的古籍中。有不少關於司南的記載。如《韓非子·有度篇》里有“先王立司南以端朝夕”的話,“端朝夕”就是正四方的意思。《鬼穀子·謀篇》里也記載說,“鄭人取玉,必載司南,爲其不惑也。”就是說鄭國的人到遠處去采玉,就帶了司南去,以便不迷失方向。
 
  古代的司南是用天然磁石經人工用琢玉的辦法琢磨成的。我國商周時期琢玉工人的技術已經很精湛,至遲在春秋時期就已經能把硬度五到七的軟玉和硬玉琢制成各種形狀的玉器,因此也能夠把硬度隻有五·五到六·五的天然磁石制成形體比較簡單的司南來。
 
  由於天然磁石在琢制成司南的過程中不容易找出准確的極向,而且也容易因受震而失去磁性,因而成品率低。同時也因爲這樣琢制出來的司南磁性比較弱,而且在和地盤接觸的時候轉動摩擦阻力比較大,效果不很好,因此這種司南未能得到廣泛的使用。
 
  隨着社會生產力的不斷發展,科學技術的不斷進步,航海業的不斷擴大和發展,制造出一種比司南更好的指向儀器不但成爲必要,而且也有了可能。在經過勞動人民長期的生產實踐和反覆多次的試驗之後,人們終於發現了人工磁化的方法,這樣就產生了更高一級的磁性指向儀器。
 
  北宋初年由曾公亮主編的一部軍事著作《武經總要》和由著名的科學家沈括撰寫的《夢溪筆談》里,分别介紹了指南魚和指南針。指南魚是用薄鐵葉裁成魚形,然後用地磁場磁化法,使它帶有磁性(詳後)。在行軍需要的時候,隻要用一隻碗,碗里盛半碗水,放在無風的地方,再把鐵葉魚浮在水面,就能指南。但是這種用地磁場磁化法所穫得的磁體磁性比較弱,實用價值比較小。另一種指向儀器是指南針,它是以天然磁石摩擦鋼針制得。鋼針經磁石摩擦之後,便被磁化,也同樣可以指南。沈括根據他的見聞,在《夢溪筆談》卷二十四里說道:“方家以磁石磨針鋒,則能指南。”直到十九世紀現代電磁鐵出現以前,幾乎所有的指南針都是采用這一種人工磁化法制成的。這時,指南針在它的發展史上已經跨過了兩個發展階段--司南和指南魚,發展成一種更加簡便、更有實用價值的指向儀器。以後各種名目繁多的磁性指向儀器,就都以這種磁針爲主體,隻是磁針的形狀和裝置法有所變化罷了。
 
  關於磁針的裝置法,沈括親自做了四種實驗:把磁針横貫燈芯浮水上,架在碗沿或指甲上,以及用縷絲懸掛起來。
 
  從已經發現的古代文獻和地下出土文物可以看出,我國從兩宋起,曆元、明到清初,水浮法指南針在航海上和堪輿上都一直使用。有的還使用到清代的中後期。這種水浮法,據宋代寇宗奭(shì)的《本草衍義》、元代程的《三柳軒雜記》所說,是用燈芯或其他比較輕的物體做浮標,讓磁針貫穿而過,使它浮在水面而指南。如滋針裝置實驗示意圖的(1)所示。解放後在河北磁縣、江蘇丹徒、遼寧大連等地,陸續發掘出一批元代的“王”字瓷碗。碗腹内底畫有三大點,中間穿一細劃,樣子像個“王”字。據王振鋒考證,這三點一劃是表示“指南浮針”,中間的直線表示磁針,三大點表示和燈芯草有共同作用的浮標。這“王”字的繪畫是有用意的。一個是爲了表明這碗是專爲浮針用的(在大連市出土的三個“王”字瓷碗底部圈足里都墨書一個正楷的“針”字,就是爲了標明這碗是針碗)。另一個可能是爲了標明磁子午方向,在一定程度上起了方位盤的作用。
 
  南宋陳元靚在他所撰的《事林廣記》中,也介紹了當時民間曾經流行的有關指南針的兩種裝置形式,就是木刻的指南魚和木刻的指南龜。木刻指南魚是把一塊天然磁石塞進木魚腹里,讓魚浮在水上而指南。木刻指南龜的指向原理和木刻指南魚相木同,它的磁石也是安在木龜腹,但是它有比木魚更加獨特的裝置法,就是在木龜的腹部下方挖一小穴,然後把木龜安在竹釘子上,讓它自由轉動。這就是說,給木龜設置一個固定的支點。撥轉木龜,待它靜止之後,它就會南北指向。
 
  正如在使用司南時需要有地盤配合一樣,在使用指南針的時候,也需要有方位盤相配合。最初,人們使用指南針指向可能是沒有固定的方位盤的,但是不久之後就發展成磁針和方位盤聯成一體的羅經盤,或稱羅盤。方位盤仍是漢時地盤的二十四向,但是盤式已經由方形演變成環形。羅經盤的出現,無疑是指南針發展史上的一大進步,隻要一看磁針在方位盤上的位置,就能定出方位來。南宋曾三異在《同話錄》中說道:“地螺或有子午正針,或用子午丙壬間縫針。”這里的“地螺”就是地羅,也就是羅經盤。這是一種堪輿用的羅盤。這時候已經把磁偏角的知識應用到羅盤上。從曾三異的恬可以看出,這種羅盤不但有子午正針(是以磁針確定的地磁南北極方向),還有子午丙壬間的縫針(是以日影確定的地理南北極方向),兩個方向之間有一夾角,這就是磁偏角。
 
  當時的羅盤,還是一種水羅盤,磁針還都是横貫着燈芯浮在水面上的。北宋徐兢的《宣和奉使高麗圖經》中記有:在海上航行遇到陰晦天氣,就用指南浮針。
 
  不過在南宋可能已出現旱羅盤。據《考古》1988年第四期報道,1985年五月江西臨川南宋邵武知軍朱濟南(l140-1197)墓出土了七十伴瓷俑,其中一件稱張仙人俑,高二二.二釐米,手捧一件似是旱羅盤,磁針是菱形,中央有一小孔,以軸承支持着。這說明可能早在十二世紀末期前,中國已有旱羅盤。旱羅盤和水羅盤的區别在於,旱羅盤的磁針是以釘子支在磁針的重心處,並且使支點的摩擦阻力十分小,磁針可以自由轉動。顯然,旱羅盤比水羅盤有更大的優越性,它更適用於航海,因爲磁針有固定的支點,而不會在水面上游盪。
 
  旱羅盤的這種磁針有固定支點的裝置法,最初的思想起源很早。因爲司南就有一定的支點;沈括關於磁針裝置試驗中又有碗沿鏇定法和指甲鏇定法等。
 
指南針
指南針
  我國的指南針大約是在公元十二世紀末到十三世紀初經過阿拉伯傳入歐洲的。宋代我國的航海業已經相當發達,泉州、廣州都是世界一等大商港,中國船隻不但船身大,結構堅,而且航速快,又有指南針指航,阿拉伯商人都樂乘中國船隻。而且阿拉伯和波斯商人旅居中國的不少,泉、廣常住許多阿拉伯商人,因而,我國指南針的每一步發展,連同民間流行的木刻指南龜,也就很容易隨着頻繁的經濟文化交流而傳人西方,這就爲旱羅盤的出現提供了基礎。
 
  顺便指出,雖然旱羅盤因磁針有固定的支點而比水羅盤顯得優越,但是它在海上應用仍有很大的不方便。當盤體隨海船作大幅度擺動的時候,常使滋針過分傾斜而靠在盤體上轉動不了。十四到十六世紀,歐洲航海羅盤出現了一種現在稱做“萬向支架”的常平架,它是由兩個銅圈組成,兩圈的直徑略有差别,使小圈正好内切於大圈,並且用樞軸把它們聯結起來,然後再由樞軸把它們安在一個固定的支架上。旱羅盤就掛在内圈中,這樣,不論船體怎麼擺動,旱羅盤總能始終保持水平狀態。
 
  這種常平架,就文獻記載來看,在我國早在漢晉時期就已經出現了。在當時的一部著作《西京雜記》中曾經記載西京長安有個巧匠名叫丁緩的,他作了一個小香鑪,像個多孔小球,可以點上香後放在被窩中,不論小球怎麼滾動,鑪灰總不會撒出來,因此這種小香鑪稱做臥褥香鑪或被中香鑪。臥褥香鑪的原理就是在多孔小 球里聯結着兩個套起來的金屬圈,點香用的鑪缸就掛在内圈上。這種臥褥香鑪在漢以後曆代都有制造。但是這種技術原理在當時隻是爲少數統治階級服務,直到一千三百多年後歐洲人用它裝置航海羅盤的時候,這一人類智慧才得到真正的尊重和充分的應用。  

沈括的指南針四種方法

 
  鋼片指南魚發明不久,人們拿一根鋼針,放在磁鐵上磨,使鋼針變成磁針。這種經過人工傳磁的鋼針,可以說是正式的指南針了。
 
  北宋時候有個著名的科學家,名叫沈括。他在自然科學方面有很多傑出的貢獻。他寫了一部《夢溪筆談》,書中提到關於指南針的用法,他曾經做過四種試驗:
 
沈括的四種指南針用法
沈括的四種指南針用法
  第一種是水浮法,把指南針放在有水的碗里,使它浮在水面上,指示方向。針怎麼能浮在水面上呢?沈括沒有說明。北宋晚期,寇宗爽編了一部《本草衍義》,書中講到在指南針上穿幾根燈草,就可以浮在水面上了。沈括的水浮法,可能也是這樣的。
 
  第二種是指甲鏇定法一把磁針放在手指甲面上,使它輕輕轉動。手指甲很光滑,磁針就和司南一樣,也能鏇轉自如。
 
  第三種是碗唇鏇定法--把磁針放在光滑的碗口的邊上。
 
  第四種是縷懸法--在磁針中部塗一些蠟,粘上一根細絲線,把細絲線掛在沒有風的地方。
  根據試驗,沈括認爲這四種方法,要算縷懸法最好。因爲用指甲鏇定法和碗唇鏇定法,磁針很容易滑落,用水浮法,水也動盪不定,縷懸法卻沒有這些缺點。
 
  沈括在《夢溪筆談》中記載的這四種方法,可以說是世界上指南針使用方法的最早記錄。
 
  這四種方法,有的仍然爲近代羅盤和地磁測量儀所采用。現在磁變儀、磁力儀的基本結構原理,就是用縷懸法。航空和航海使用的羅盤,就多以水浮磁針作爲基本裝置。 
 
  沈括還有一個重要的發現。他在《夢溪筆談》中講到,磁針雖然朝着南方,但是指的不是正南,而略微有些偏東。這一現象,在科學上叫做“磁偏角“。
 
  那是因爲地球上的磁極,和南極、北極稍許有一些偏差的緣故。所以磁針的南北線和地球的子午線是不一致的。這在科學上叫做“磁偏角”,又稱爲“磁差”或“偏差”。磁偏角的數值,在全球各地是不相同的。
 
  在西方,直到公元一四九二年哥崙布横渡大西洋時候,方才發現磁偏角,比我國遲了四百多年。
 
  沈括這四種實驗,概括起來是屬於三種類型:一是水浮法,二是支點鏇轉法,三是縷絲懸掛法。沈括認爲,“水浮多盪搖,”碗沿或指甲“堅滑易墜”,而以“縷懸爲最善”。其實這三種方法各有優點,它們在後來都有不同程度的發展,都在實際中得到不同程度的用。而且前兩種的應用還更加普遍。特别是水浮法,在我國指南針發展史上占有重要的地位。  

磁現象的發現

 
  先秦時代我們的先人已經積累了許多這方面的認識,在探尋鐵礦時常會遇到磁鐵礦,即磁石(主要成分是四氧化三鐵)。這些發現很早就被記載下來了。《管子》的數篇中最早記載了這些發現:“山上有磁石者,其下有金銅。”其他古籍如《山海經》中也有類似的記載。磁石的吸鐵特性很早就被人發現,《呂氏春秋》九卷精通篇就有:“慈招鐵,或引之也。”那時的人稱“磁”爲“慈”他們把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引。並認爲:“石是鐵的母親,但石有慈和不慈兩種,慈愛的石頭能吸引他的子女,不慈的石頭就不能吸引了。”據說秦始皇統一六國後,在鹹陽附近修阿房宮,宮中有一座門是用磁石做成,如果有人身穿盔甲,暗藏兵器,入宮行刺,就會被磁石門吸住。這個故事告訴我們,古代勞動人民很早就掌握了磁學知識。
 
  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,那麼是否還可以吸引其他金屬呢?我國的先民做了許多嚐試,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隻能吸引鐵,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。欒大稱其爲“鬥棋”。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,龍心大悦,竟封欒大爲“五利將軍”。欒大利用磁石的性質,制作了新奇玩意用以取悦漢武帝。
 
  地球也是一個大磁體,它的兩個極分别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。這個道理古人雖不明白,但這類現象他們看的很清楚。  

指南針在航海上的應用

 
指南針在航海上的運用
指南針在航海上的運用
  指南針作爲一種指向儀器,在我國古代軍事上,生產上,日常生活上,地形測量上,尤其在航海事業上,都起過重要的作用。
 
  我國古代航海業相當發達。秦漢時期,就已經同朝鮮、日本有了海上往來;到隋唐五代,這種交往已經相當頻繁。而且同阿拉伯各國之間的貿易關係也已經很密切。到了宋代,這種海上交通更得到進一步的發展。中國龐大的商船隊經常往返於南太平洋和印度洋的航線上。海上交通的迅速發展和擴大,是和指南針在航海上的應用分不開的。在指南針用於航海之前,海上航行隻能依據日月星辰來定位,一遇陰晦天氣,就束手無策。唐文宗開成三年(公元838年),日本和尚圓仁來中國求法,後來寫有《入唐求法巡禮行記》一文,描述了在海上遇到陰雨天氣的時候混亂而艱辛的情景:當時,海船的航向無法辨認,大家七嘴八舌,有的說向北行,有的說向西北行,幸好碰到一個波綠海淺的地方,但是也不知道離陸地有多遠,最後隻好沉石停船等待天晴。
 
  而在指南針用於航海之後,不論天氣陰暗,航向都可辨認。史籍中最早記載到指南針用於航海的是在北宋。朱彧(yù)在他的《萍洲可談》一書中評述了當時廣州航海業興旺的盛況,同時也記述了中國海船在侮上航行的情形,說道:“舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦觀指南針。”這時海上航行還隻是在日月星辰見不到的日子里才用指南針,這是由於人們對靠日月墾辰來定位有一千多年的經驗,而對指南針的使用還不很熟練。隨着指南針在海上航行的不斷應用,人們對它的依賴也與日俱增,並且有專人看管。 南宋吳自牧在他所寫的《夢粱錄》中說道:“風雨冥晦時,惟憑針盤而行,乃火長掌之,毫釐不敢差誤,蓋一舟人命所系也。”由此也可以看出指南針在航海中的地位和作用。到了元代,指南針一躍而成海上指航的最重要儀器了,不論冥晦陰暗,都利用指南針來指航。而且這時海上航行還專門編制出羅盤針路,船行到什麼地方,采用什麼針位,一路航線都一一標識明白。元代的《海道經》和《大元海運記》里都有關於羅盤針路的記載。元代周達觀寫的《真臘風土記》里,除了描述海上見聞外,還寫到海船從溫州開航,“行丁未針”。這是由於南洋各國在中國南部,所以海船從溫州出發要用南向偏西的丁未針位。明初航海家鄭和“七下西洋”,擴大了中國的對外貿易,促進了東西方的經濟和文化交流,加強了中國的國際政治影響,增進了中國同世界各民族的友誼,作出了卓越的貢獻。他這樣大規模的遠海航行之所以安全無虞,端賴指南針的忠實指航。鄭和的巨艦,從江蘇劉家港出發到蘇門答臘北端,沿途航線都標有羅盤針路,在蘇門答臘之後的航程中,又用羅盤針路和牽星術相輔而行。指南針爲鄭和開辟中國到東非航線提供了可靠的保證。  

外傳與影響

 
  指南針大約在十二世紀末十三世紀初之際,傳到阿拉伯,然後又由阿拉伯傳入歐洲,後來歐洲演變出旱羅盤,再於明代時經日本傳回我國。
 
  指南針對西方最大的影響莫過於西方開始海外大探險。
 
  結合當時國家有計畫的海外探險,以及天文、地理、造船、航海技術的配合,再加上羅盤的使用,因而造成西方一連串的海外探險。就世界範圍來說,指南針在航海上的應用,導致了以後哥倫布(約1451-1506)對美洲大陸的發現和麥哲崙(約1480-1521)的環球航行。這大大加速了世界經濟發展的進程,爲資本主義的發展提供了必不可少的前提。
 
  在各國相競的向外發展下,新航線、新大陸逐一被發現,讓歐洲人在短時間内看到更多不同的事物與民族,進而促使歐洲人以客觀的觀察和比較的眼光來看待不同的民族與文化,是爲指南針的另外更深遠的影響。
 




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