指南针 编辑

中国古代四大发明之一

指南针指南针

指南针,古代叫司南,主要组成部分是一根装在轴上的磁针,磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上,磁针的南极指向地理南极(磁场北极),利用这一性能可以辨别方向。

常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。物理上指示方向的指南针的发明有三类部件,分别是司南、罗盘和磁针,均属于中国的发明。 据《古矿录》记载最早出现于战国时期的磁山一带。

指南针是中国古代劳动人民在长期的实践中对磁石磁性认识的结果。作为中国古代四大发明之一,它的发明对人类的科学技术和文明的发展,起了无可估量的作用。在中国古代,指南针起先应用于祭祀、礼仪、军事和占卜与看风水时确定方位。

基本信息

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中文名:指南针

外文名:compass

作用:辨别方向和方位

发明成果一:司南

发明成果二:罗盘

发明成果三:磁针

发明国家:中国

地:战国磁山(今邯郸武安)

产生背景

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地球是一个大磁体。地球的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。地球表面的磁体,当可以自由转动时,就会因磁体同性相斥、异性相吸的性质指示南北——这个道理,古人不够明白;但这类现象,古人已经发现。

磁现象的发现

先秦时代的中国劳动人民已经积累了对磁现象的认识,在探寻铁矿的时候,常常遇到磁铁矿,即磁石(主要成分是四氧化三铁——化学式Fe3O4,别名氧化铁黑、磁铁、吸铁石,为具有磁性的黑色晶体,故又称为磁性氧化铁)。《管子》的数篇中早已记载了这些发现:“山上又磁石者,其下有金铜。”《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早被人发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:“慈招铁,或引之也。”古人称“磁”为“慈”。古人把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为:“石是铁的母亲,但石有慈和不慈两种,慈爱的石头能吸引他的子女,不慈的石头就不能吸引了。”汉以前古人把磁石写成“慈石”,是慈爱石头的表达。到了西汉,有一个名叫栾大的方士,他利用磁石的特性做了两个像棋子的东西,通过调整两个棋子极性的相互位置,有时两个棋子相互吸引,有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝,并当场演示。汉武帝惊奇不已,龙心大悦,竟封栾大为“五利将军”。

李约瑟的观点,他在《中国对航海罗盘研制的贡献》一文,有明确的阐述。他从《古今注》、《管氏地理指蒙》、《九天玄女青囊海角经》等书的记载中推测出如下结论:“磁石指向性转移到它吸过的铁块的发现在中国大约在一世纪到六世纪。在十一世纪以前的某个时期就已发现,不仅可以用铁块在磁石上磨擦产生磁化现象;而且还可以用烧红的铁片,经过居里点

罗盘古称“地螺”、“地罗”。南宋曾三聘的《因话录》(作于公元1200年前后)“子午针”条说:“地螺,或有子午正针,或用子壬丙午间缝针。”曾三聘是江西临江俯峡江(今江西西清江)人。离峡江不远的江西临川,于1985年出土了世界上最早的堪舆旱罗盘模型,正可与《因话录》的记载相互印证。1985年5月,江西临川南宋朱济南墓(葬于1198年)出土了座底墨书“张仙人”的瓷佣一式两件。风水先生“张仙人”佣 ,左手抱一罗盘。值得注意的是,该罗盘的磁针与水罗盘的磁针根本不同,中部增大呈菱形,菱形中央有一明显圆孔,明确现象地表示这是一种用轴支承的旱罗盘。

中国的磁针和罗盘先后经由陆水两路西传,曾给人类的文明的进程带来重大的影响。以前史学界认为磁针在水中的水罗盘与指南针一脉相承,是中国的发明,但旱罗盘是欧洲所发明,16世纪才经由日本船传入中国。而今临川罗盘证明:旱罗盘的发明权也属于中国。

最初形制

磁石指极性与磁性指向器的最初形制

对于磁石吸铁性的认识和应用,传说,秦皇宫的磁石门可防止身带铁刃的刺客进入。文献中对磁石吸铁现象多有记述,如战国时期成书的《吕氏春秋》、西汉时期成书的《淮南子》和东汉王充的《论衡》,这些作者都提到磁石吸铁现象,玳瑁和琥珀等物体能吸引某些轻小物体的现象。王充指出,这些现象是“感应”(一种超距作用的看法)的作用,但似乎并不知道电感应和磁感应的区别。指南针是用天然磁石制成的,要发明指南针,就要研究磁石的指极性。

磁化技术和磁偏现象的记述

北宋时磁化技术取得了突破,这些技术加速了磁性指向器的普及,并且导致指向器形制新的演变。

曾公亮的《武经总要》中提到一种新型的磁性指向器——“指南鱼”,同时还能看到,制作指南鱼的关键是铁的磁化。曾公亮的记述是:以薄铁叶剪裁,长二寸,阔五分,首尾锐如鱼形,置炭火中烧之,候通赤,以铁钤钤鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止。(卷15)曾公亮实际上是利用地磁场对剪成鱼形的铁片进行磁化,这是历史上人类寻求新的磁化技术上的一个突破。但是,由于使用时要放在水面,铁片要尽量“薄”。这也是重要的提示。

指南鱼的磁性是很弱的,作为一种“天然的”缺陷,圆形的鱼首也使它的指向精度受到限制。虽然这种简易的磁化技术使指南鱼的制作容易了许多,但它的形状造成与勺形司南有类似的缺陷。

同样,具有实用性的磁化技术,与曾公亮同时代的沈括在《梦溪笔谈》中也有记载。他写道:“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”(卷24)这种形制易流行、且简单,磁化效果也相当好,特别是,它对指向器形制的改进产生了另一个突破——针状。用针指向,它的指向精度可以得到极大的提高。这样,司南就衍变成了指南针,而且这种指南针也更容易普及了。无疑,这是磁性指向器形制的最重要的改进。

由于指针指向精度得以提高,人们在使用指南针时很快就注意到,它所指的方向有时并非正南,这就是磁偏现象——“然常微偏东,不全南也”。

实际上,在写于庆历元年(1041)的《茔原总录》中,比沈括稍早些的杨维德已经记载了指南针和磁偏角的存在.他写道:“匡四正以无差,当取丙午针。于其正处,中而格之,取方直之正也。”(卷1)这里说的“针”就是磁针,而“丙午针”是指磁针在静止时,针指的方位是24个方位中丙位和午位的结合部,也就是南偏东约7。5°。这与沈括的“微偏东”是一致的,但杨维德的说法更早,描述也更精确些。

稍晚于沈括的寇宗夷在所著的《本草衍义》也提到:“磁石⋯⋯磨针锋则能指南,然常偏东,不全南也。其法取新纩中独缕,以半芥子许蜡缀于针腰,无风处垂之,则针常指南。然常偏丙位。盖丙为大火,庚辛金受其制,故如是,物理相感尔。”(卷5)这段话讲到指南针的磁化,讲到磁偏现象的发现,还讲到指南针的架设问题,以及利用五行学说简要地解释磁针指向的原因。在这里,寇宗夷所使用的是“水浮法”,这与沈括是有些不同的。这也说明,在这时人们还在探索形制,一直在进行着不同的尝试。早在晚唐时期成书的《管氏地理指蒙》,在这篇文献中我们可以读到:磁者母之道,针者铁之戕。母子之性,以是感,以是通;受戕之性,以是复,以是完。体轻而径,所指必端。应一气之所召⋯⋯。透过这段话,可以看到,它记述的磁偏角约为南偏东15°左右。这说明,关于地磁偏现象的发现可能早于宋代。在另一篇早期文献中提到地磁偏的是《九天玄女青囊海角经》,这部书的成书时间约在10世纪下半叶。

与沈括大致同时代的王假(福建堪舆学派的创立者)也提到过磁偏角。在王仅的一首诗中,他写道:“虚危之间针路明,南三张度上三乘”。这里的前一句所提到的显然是天体坐标的南北向,但通过观察地磁罗盘会发现,南方星宿“张”的范围是如此之广,以至于两个磁偏角及天体坐标的正南这3个“南方”方位均包含在其内。所以,他对磁偏角的涉及,具体数值还不能完全确定,但它的地磁偏现象的记载,说明了风水师是重视地磁偏现象的研究的。王仅是一位著名的堪舆家,他的主要著作写于1030—1050年间。

宋代曾三异在1189年写的《因话录》提到,在地球表面上一定有某个区域,在那里磁偏角为零。曾三异的观点很有见地,事实上也确实存在着零磁偏角线。即使如此,他也只是提出了一种有价值的猜测。16世纪,明代人迸一步发现了在不同的地点磁偏角的大小也不同的结论;18世纪,才出现关于磁偏角的大小也随时间的变化而变化的明确记载。

指南针架设方法与罗盘

指南针如何架设起来,沈括比较了4种不同的架设方法:

水浮多荡摇。指爪及碗唇上皆可为之,运转尤速,但坚滑易坠,不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕,以芥子许蜡,缀于针腰,无风处悬之,则针常指南。这就是有名的沈括“四法”。沈括对前3种方法采取否定的态度,尽管“水浮法”是曾公亮已经有过尝试的方法.在《武经总要》中记载的使用方法是将指南鱼“平放水面令浮”,为此鱼形的铁叶可能是中间微凹的,这样的结构使铁鱼像小船一样漂浮在水面上。宗夷也提出了架设的方法,他指出:“以针横贯灯心,浮水上,亦指南。”

沈括尝试的四种安装指南针的方法

南宋时,指南针的架设问题有了新的进展。南宋陈元靓在《事林广记》(成书于1100—1250年间)中记述了两种指南针,即指南鱼和指南龟。它们可看作“水针(水罗盘)”和“旱针(旱罗盘)”的先驱。水罗盘(也叫浮针罗盘)是从《武经总要》的指南鱼到《事林广记》的指南鱼发展过来的,由于后者是木刻的,自然可浮在水面,似乎也不怕水面荡摇,它已发展成为一种比较成熟的结构。此后,水针一直比较流行,加上进一步的改进,将磁针穿上小木条,取代了木头刻的鱼,使之更实用了。自然,“指南鱼”这种形制也就消失了。《事林广记》记载的“指南龟”,则是后世旱罗盘的先驱。它因为采用了竹钉支承,摩擦力小,旋转灵活,因而也受到人们欢迎。后来人们将其发展成了枢轴支承式,这种形制就成了使用简便的旱罗盘。1985年5月,在江西临川县温泉乡朱济南墓中出土了一件题名“张仙人”的俑,高22。2em,手捧罗盘。此罗盘样的磁装置结构与宋代水浮针不同,其菱形针的中央有一明显的圆孔,说明它采用的是枢轴支承的架构。这座墓下葬的时间为南宋庆元四年(1198)。可见在旱罗盘问世不久,中国人已经将其发展成枢轴支承式的了。

结语

旱罗盘后来经阿拉伯传人欧洲,在欧洲发展成熟起来。欧洲人又进一步对这种旱罗盘做了改进,使用起来很是方便。这种改进虽然对磁的知识并未增加,甚至也未“改善”,但是却对航海事业产生了积极影响。也就是说,在发展航海事业的过程中,使磁技术的价值彰显出来。从磁的吸铁性和指极性知识看,在磁技术的发展早期,磁技术对生产发展和航海、堪舆的活动是有价值的,而磁技术的改善就是围绕着这种需求发展的。在磁技术发展的同时,人们也积累起些许磁学知识。这个积累过程是缓慢的,这当然是由于貌似简单的磁知识,它联系着对地(球)磁场的认识。这使问题具有了某种复杂性,而破解这种复杂性还需要时间,需要某种天才;同时也期待着高水平的精准实验用。

在这些精准的实验中,磁化技术中的两种方法是很重要的。在这些磁化技术的发展中,古人所依据的科学原理,要么是不知道,要么是不符合现代的科学原理。所以,古人是黑暗中摸索着前进的,是在对经验中的领悟中发展着的。在这些发明中,指南“针”形状发明提高了指向的精度,也使磁偏角得以发现.针的形制无疑是具有重要意义的,推进了对磁的认识,有益于磁知识的积累。大体上说,磁性指向器的演变过程中,形制的不断改进是很重要的,就像汽车发明后,汽车的样子也不断发生变化,甚至是很大的变化,但这也是逐步演变的。磁性指向器的交流中,也包含着磁知识的交流,这种交流促进着“磁学”知识的积累和发展。这直到近代才结出果实。

罗盘西传

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中国的磁针和罗盘先后经由陆水两路西传,曾给人类文明的进程带来重大的影响。史学界认为磁针浮在水中的水罗盘与指南针一脉相承,是中国的发明。1985年江西临川南宋朱济南墓出土的“张仙人”俑手持的旱罗盘证明:旱罗盘的发明权也属于中国。

现代指南针

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现代电子罗盘

现代人制作了各种电子指南针,智能手机普遍有这个软件,电子罗盘也叫数字罗盘,是利用地磁场来定北极的一种方法,应用到手机上,其实就是电子指南针,电子罗盘一般用磁阻传感器和磁通门加工而成。

电子罗盘 电子罗盘

虽然GPS在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用,但由于其信号常被地形、地物遮挡,导致精度大大降低,甚至不能使用。尤其在高楼林立城区和植被茂密的林区,GPS信号的有效性仅为60%,并且在静止的情况下,GPS也无法给出航向信息。为弥补这一不足,可以采用组合导航定向的方法。电子罗盘正是为满足用户的此类需求而设计的。它可以对GPS信号进行有效补偿,保证导航定向信息100%有效,即使是在GPS信号失锁后也能正常工作,做到“丢星不丢向”。

电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平,否则当罗盘发生倾斜时,也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用时要求很高,但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话,平面罗盘是一种性价比很好的选择。三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制,因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器,如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿,这样即使罗盘发生倾斜,航向数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移,罗盘也可内置温度补偿,最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

电子罗盘原理

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场,倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器,每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。

磁偏角

地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角,即为磁偏角。磁偏角在同一地点也不是定值,每天早晚测定的磁偏角也有微小的差异,磁偏角具有长期变化和周日变化的特性。气象条件对磁偏角的影响也很大,尤其在雷电天气下是不能观测的。磁偏角受地磁环境影响比较显著,由于地磁的特性,磁子午线情况比较复杂,且互相不平行,直线愈长,误差越大。

指南词义

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“指南”的词义有指导或准则之意,而“指南”来源于“司南”,两者仅一音之转。在汉至唐的文献中,读者可读到诸如“事之司南”、“文之司南”以及人之司南等词语。唐代以后,在社会科学中,“司南”一词完全为“指南”所取代。唐代以后,“司南”(磁勺)奇迹般地销声匿迹,因是磁针已经问世。

磁子午线

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磁子午线随一年四季的变化而变化。其一,在春分,秋分这天,磁子午线与子午线,以及地球的经线三线重合,指南针直指地球的南北方向极点,误差只有0.08°地轴偏心率,可以忽略不计。其二,在夏至,冬至这天,磁子午线和子午线是不重合的并且偏磁角最大,最大偏差量为正负23.26°,也就是说在地球南北极附近偏磁点最大,用地球的周长除以365°角在正负23°,等于偏磁极点对应南北极点的距离(正负弧度公里)。

社会反应

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指南针打开了世界市场

指南针在航海上的应用对地理大发现和海上贸易有极大的促进作用。 指南针的发明源于中国古人如何定向问题的研究,也表明古人对如何定向问题的重视,为此,指南针被誉为中国古代四大发明之一。古代中国人将指南针用于军事和航海的活动,也被用于堪舆术,后来还辗转传入欧洲,在欧洲的航海活动和地理大发现中,发挥了不可替代的重要作用。在航海技术发明中,指南针也是最重要的单项发明。

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