當(dāng)人們?cè)诒滩ㄊ幯拇蠛Ｖ泻叫校谙鯚煆浡膽?zhàn)場(chǎng)上作戰(zhàn)，在異國(guó)他鄉(xiāng)游歷的時(shí)候，身在一個(gè)陌生的環(huán)境里，經(jīng)常會(huì)迷失方向，辨不清南北，找不到歸途。所以很早，人們就開(kāi)始研究、掌握各種辨別方向的方法。

古時(shí)候，人們是通過(guò)觀(guān)察天象來(lái)辨別方位的，晚上通過(guò)看北極星的方向來(lái)確定方位，白天通過(guò)看日影的方向來(lái)確定方位?？墒?，一遇到陰天下雨的惡劣天氣，這種方法就不靈了，看不見(jiàn)太陽(yáng)也看不見(jiàn)星星，無(wú)法確定方向，尤其是到了晚上，周?chē)黄诎担瑯O易釀成慘劇。

實(shí)踐的需要就是生產(chǎn)的動(dòng)力，經(jīng)過(guò)勞動(dòng)人民不斷的摸索實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)明了一個(gè)能夠指示南北、判別方位的小工具——指南針。

指南針由一根裝在軸上可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針和標(biāo)有刻度的底盤(pán)組成，磁針在地磁場(chǎng)的作用下可以指示南北方向。有了它，我們就能在世界的各個(gè)角落找到方向，辨清位置，就好像黑暗中的一縷陽(yáng)光照亮人間，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的方便。

今天，現(xiàn)代的指南針已經(jīng)發(fā)展得非常成熟和完善，甚至在GPS中也會(huì)用到，精致的外觀(guān)，先進(jìn)的功能，使它被廣泛應(yīng)用于軍事、航海、探險(xiǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，成為名副其實(shí)的重要導(dǎo)航工具。

（一）磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1.磁石引鐵

說(shuō)起指南針的誕生，我們首先要從磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)說(shuō)起。早在兩千多年前，也就是春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)的勞動(dòng)人民就已經(jīng)掌握了用鐵制造農(nóng)具的方法，人們?cè)趯ふ诣F礦的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)山上有一種“石頭”具有非常神奇的特性，這種石頭可以魔術(shù)般地吸起小塊的鐵片，而且在隨意擺動(dòng)后總是指向同一方向。正因?yàn)樗慌龅借F就吸住，好像一位慈祥的母親吸引自己的孩子一樣，所以古人稱(chēng)其為“慈石”，后來(lái)才逐漸演變?yōu)椤按攀薄?

這種“磁石”其實(shí)是一種磁鐵礦的礦石，主要成分是四氧化三鐵，而它具備的這種吸引鐵一類(lèi)物質(zhì)的性質(zhì)就是磁性，所有具備磁性的物體我們都稱(chēng)之為磁體。

我國(guó)關(guān)于磁石的最早記載見(jiàn)于《管子·地?cái)?shù)篇》：“一曰上有鉛者，其下有鉒銀，上有丹砂者，其下有鉒金，上有慈石者，其下有銅金，此山之見(jiàn)榮者也。”這里的“銅金”就是一種鐵礦。人們不僅發(fā)現(xiàn)了磁石，還在生產(chǎn)實(shí)踐中將磁石付諸了應(yīng)用。秦朝時(shí)候就有這樣的故事：傳說(shuō)秦始皇修建阿房宮時(shí)，有一個(gè)宮門(mén)就是用磁鐵制造的。如果刺客帶劍而過(guò)，立刻被吸住，會(huì)被衛(wèi)兵當(dāng)場(chǎng)捕獲。

這樣的故事還有很多，《晉書(shū)·馬隆傳》記載了馬隆率兵西進(jìn)甘肅、陜西一帶，在敵人必經(jīng)的一條狹窄道路兩旁堆放磁石，這樣穿著鐵甲的敵兵路過(guò)時(shí)，就被牢牢吸住，不能動(dòng)彈。而馬隆的士兵穿的是犀甲，磁石對(duì)他們沒(méi)有任何作用。敵人卻以為是神兵來(lái)了，紛紛落荒而逃，不戰(zhàn)而退。

東漢的《異物志》記載了在南海諸島周?chē)幸恍┌到笢\灘含有磁石，磁石經(jīng)?！耙澡F葉錮之”，把船吸住，使其難以脫身。

這些故事都說(shuō)明人們?cè)谏a(chǎn)勞動(dòng)中，發(fā)現(xiàn)了磁鐵，了解了磁石引鐵的性質(zhì)，后來(lái)又逐漸發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性，并且利用這一性質(zhì)發(fā)明了指南針。

2. 磁針指南

人們發(fā)現(xiàn)了磁鐵之后，做了很多有意思的實(shí)驗(yàn)和嘗試，發(fā)現(xiàn)磁鐵除了鐵之外果然不能吸引其他的物質(zhì)，而且磁鐵的兩端是它吸力最強(qiáng)的部分。當(dāng)兩塊磁鐵相互靠近時(shí)，意想不到的事情發(fā)生了，兩塊磁鐵有時(shí)候會(huì)互相吸引，有時(shí)候又相互排斥。這又是怎么一回事呢？

通過(guò)不斷的研究，人們發(fā)現(xiàn)，兩塊磁鐵相互吸引或是相互排斥，是因?yàn)槊繅K磁鐵的兩端都有不同的磁極，也就是磁鐵兩端吸力最強(qiáng)的部分，一端是正極，也稱(chēng)為S極，另一端是負(fù)極，稱(chēng)為N極。當(dāng)兩塊磁鐵的同性磁極相靠近時(shí)，它們會(huì)相互排斥，而異性磁極相靠近則會(huì)相互吸引。這就是磁鐵同極相斥、異極相吸的原理。人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)了磁鐵的這個(gè)特性之后，制作出了很多生產(chǎn)和生活用品。

在漢武帝的時(shí)候就有這樣一個(gè)故事，說(shuō)膠東有個(gè)叫欒大的人，獻(xiàn)給漢武帝一種斗棋。這種棋子一放到棋盤(pán)上，就會(huì)互相碰擊，自動(dòng)斗起來(lái)。漢武帝看了非常驚奇，還給欒大封了官。這種棋子就是用磁石做成的，磁石有磁性，能夠互相吸引碰擊，形成了“斗棋”。

世界上的物質(zhì)普遍都具有磁性，因?yàn)閺?qiáng)弱和種類(lèi)的不同而呈現(xiàn)出不同狀態(tài)。世界上最大的磁體莫過(guò)于我們居住的地球了，地球是一塊天然的大磁鐵，磁極分別靠近地球的兩端，靠近地球北極的是負(fù)磁極，靠近地球南極的是正磁極。所以，不管在地球表面的什么地方，拿一根可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針，在地球磁場(chǎng)的作用下，它的正極總是指向南方，而負(fù)極則總是指向北方。根據(jù)這一原理，人們發(fā)明創(chuàng)造出了指南針。

3. 磁偏角

我國(guó)北宋著名的科學(xué)家沈括在進(jìn)行指南針試驗(yàn)的時(shí)候，有了一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)磁針?biāo)甘镜姆较虿⒉皇堑乩砩系恼虾驼?，而是微微偏西北和東南，這一現(xiàn)象在科學(xué)上叫做“磁偏角”。這說(shuō)明地球這個(gè)磁體的兩個(gè)正負(fù)磁極和地理上的南北極并不重合而只是接近，因此，指南針?biāo)甘镜姆较蚺c地理上的正南和正北方向有一定的偏差。

中國(guó)古人正是因?yàn)樽钤绨l(fā)現(xiàn)了磁偏角的存在，從而在確定方向時(shí)予以校正，使指南針在指向的時(shí)候變得更加準(zhǔn)確，保證了航向的正確。在西方，直到1492年哥倫布橫渡大西洋的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)了磁偏角的存在，比我國(guó)晚了四百多年。

（二）指南針的產(chǎn)生及發(fā)展

指南針大約出現(xiàn)于我國(guó)的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，最初的指南針被稱(chēng)為“司南”。最早記載于公元前3世紀(jì)戰(zhàn)國(guó)末年的《韓非子·有度》中：“故先王立司南，以端朝夕。”其中“端朝夕”為正四方之意?！豆砉茸印ぶ\篇》中也有“鄭子取玉，必載司南，為其不惑也”的記載，其中“為其不惑”是“為了不迷失方向”的意思。后來(lái)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和改進(jìn)，在不同的歷史時(shí)代，指南針也出現(xiàn)了不同的形態(tài)。

1. 司南

司南是我國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代發(fā)明的一種最早的指示南北方向的指南工具，是指南針的始祖。它由一把“勺子”和一個(gè)“地盤(pán)”組成。司南勺由整塊天然磁石制成。它的磁南極那一頭被琢成長(zhǎng)柄，圓圓的底部是它的重心，琢得非常光滑。地盤(pán)是個(gè)銅質(zhì)的方盤(pán)，中央有個(gè)光滑的圓槽，四周刻著格線(xiàn)和表示二十四個(gè)方位的文字。由于司南的底部和地盤(pán)的圓槽都很光滑，司南放進(jìn)了地盤(pán)就能靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)，在它靜止下來(lái)的時(shí)候，磁石的指極性使長(zhǎng)柄總是指向南方。這就是我們的祖先發(fā)明的世界上最早的指示方向的儀器，古人稱(chēng)它為“司南”。其中，“司”就是“指”的意思。

在使用司南的時(shí)候首先要把地盤(pán)放平，再把司南放在地盤(pán)的中間，用手輕輕撥動(dòng)勺柄，使它輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，等到司南慢慢停下來(lái)，勺柄所指方向就是南方，人們以此來(lái)辨別方向。直到8世紀(jì)的時(shí)候人們?nèi)匀辉谑褂眠@種勺形的司南。

司南的出現(xiàn)是人們對(duì)磁體指極性認(rèn)識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。但司南也有許多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時(shí)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(pán)接觸處要非常光滑，否則會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過(guò)大，而難于旋轉(zhuǎn)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的指南效果。司南在磨制工藝和指向精度上都受到較多的限制，而且由于司南有一定的體積和重量，所以攜帶很不方便，這使司南不能廣泛流傳。

2. 指南魚(yú)

到了北宋，由于軍事和航海的需要以及材料與工藝技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)趯?shí)踐中逐漸掌握了人工制造磁體的方法。一塊普通的鐵在磁石上反復(fù)朝一個(gè)方向摩擦，便會(huì)帶有磁性，這就是人工磁化的方法。

原來(lái)，每一塊鋼鐵里面，一個(gè)分子就是一根“小磁鐵”。沒(méi)有磁化的鋼鐵，它的分子毫無(wú)次序地排列著，“小磁鐵”的磁性都互相抵消了，對(duì)外顯示不出磁性。而當(dāng)把它靠近磁鐵時(shí)，這些“小磁鐵”在磁鐵磁力的作用下，都整整齊齊地排列起來(lái)，同性的磁極朝著一個(gè)方向，這塊鋼鐵就具有磁性了。如果拿一塊磁鐵，緊緊摩擦著一根沒(méi)有磁化的鋼針，并且方向總是從這一頭向另一頭移動(dòng)，那么，由于磁鐵的吸力，普通鋼針中的分子也都順著一個(gè)方向排列起來(lái)，這樣，一塊人工磁鐵就制成了。

而銅、鋁等金屬由于不具備這樣的結(jié)構(gòu)，所以不能被磁鐵所吸引，更不能被磁化，后來(lái)人們?cè)陂L(zhǎng)期的實(shí)踐中用人工磁化的方法制造了指南魚(yú)。

指南魚(yú)是把一片薄薄的鐵片剪成魚(yú)形，長(zhǎng)二寸，寬五分，魚(yú)的肚皮部分凹下去，使魚(yú)能像船一樣浮在水面上，然后再把魚(yú)制作成磁體。這種人工傳磁的方法制成的指南魚(yú)在使用上比司南方便得多，只要有一碗水，把指南魚(yú)放在水面上就能指示方向了。人工磁化方法的發(fā)明，對(duì)指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用。在磁學(xué)和地磁學(xué)的發(fā)展史上也是一件大事。

從司南到指南魚(yú)，從在盤(pán)面上轉(zhuǎn)動(dòng)指南的形式到魚(yú)形鐵片在水面上浮動(dòng)指南的形式，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦，提高了指南的靈敏度。雖然通過(guò)這種磁化方法得到的磁性還比較弱，限制了指南魚(yú)在實(shí)際中的應(yīng)用，但畢竟是向指南針的發(fā)明邁進(jìn)了一大步。

3. 指南針

在指南魚(yú)之后，人們?cè)趯?shí)踐中不斷改進(jìn)，魚(yú)逐漸被一支縫紉用的小鋼針?biāo)?，人造磁體的指南針就這樣產(chǎn)生了。經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)和總結(jié)，指南針也不再僅僅漂浮于水上，而是有了更多的存在形式，這些變化都使指南針的測(cè)量精度發(fā)生了變化。

北宋時(shí)的著名大科學(xué)家沈括，對(duì)于指南針的制作和使用，作了許多科學(xué)的說(shuō)明和分析。沈括在他的《夢(mèng)溪筆談》中提到他對(duì)指南針的用法做過(guò)的四種試驗(yàn)，即指甲法、碗唇法、縷懸法和水浮法。

（1）“指甲旋定法”——把鋼針?lè)旁谑种讣酌嫔?，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，由于手指甲的表面光滑，磁針就能產(chǎn)生指南作用。

（2）“碗唇旋定法”——把磁針?lè)旁诠饣耐脒吷?，轉(zhuǎn)動(dòng)磁針，指示南北。

（3）“縷懸法”——在磁針中部涂上一些蠟，上面粘一根絲線(xiàn)，掛在沒(méi)有風(fēng)的地方，磁針垂于方位盤(pán)中心上方，靜止時(shí)，其兩端分別指示南北。

（4）“水浮法”——把指南針?lè)旁谟兴耐肜?，使它浮在水面上，靜止時(shí)，其首尾分別指示南北。

沈括對(duì)這四種方法還作了詳細(xì)的比較，他指出，水浮法的最大缺點(diǎn)是水面容易晃動(dòng)，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果；碗唇旋定法和指甲旋定法雖然因?yàn)槟Σ亮π。D(zhuǎn)動(dòng)靈活，但卻容易掉落。沈括比較推崇的是縷懸法，他認(rèn)為這是比較理想而又切實(shí)可行的方法?，F(xiàn)在的磁變儀、磁力儀的基本結(jié)構(gòu)原理就是縷懸法。

指南針和司南、指南魚(yú)相比，既簡(jiǎn)便又實(shí)用，形式逐漸穩(wěn)定下來(lái)，以后的各種磁性指向儀器，都是以這種磁針為主體，只是磁針的形狀和裝置方法不同罷了，古以南方為尊，所以稱(chēng)指南針。在19世紀(jì)現(xiàn)代電磁鐵出現(xiàn)之前，幾乎所有的指南針都是以這種人工磁化的方法制作而成的。

4. 羅盤(pán)

隨著人們對(duì)指南針的不斷改進(jìn)，逐漸發(fā)現(xiàn)單單有指南針并不能準(zhǔn)確定位方向，還需要有方位盤(pán)的配合，這樣人們就制造出了更加科學(xué)方便的指南儀器──羅盤(pán)。

羅盤(pán)由磁針和方位盤(pán)兩部分組成，方位盤(pán)盤(pán)面周?chē)塘硕膫€(gè)方位，盤(pán)式也由方形演變成圓形，盤(pán)內(nèi)盛水，磁針橫穿燈草，浮于水面。這樣一來(lái)，只要看一看磁針在方位盤(pán)上的位置，就能準(zhǔn)確地?cái)喽ǔ龇轿粊?lái)。

羅盤(pán)中的磁針指南沿用的是沈括實(shí)驗(yàn)過(guò)的水浮法，所以被稱(chēng)為水羅盤(pán)。到了明嘉靖年間又出現(xiàn)了旱羅盤(pán)，它是用釘子支住磁針，使支點(diǎn)處的摩擦阻力盡量減少，從而使磁針能夠自由地轉(zhuǎn)動(dòng)。這種有固定支點(diǎn)的指南儀器與司南相似，但在靈敏度上要比司南高得多，而且比水羅盤(pán)更適用于航海，因此得到廣泛應(yīng)用，羅盤(pán)的出現(xiàn)是指南針發(fā)展史上的一大進(jìn)步。

（三）指南針的應(yīng)用及傳播

1. 指南針的應(yīng)用

到了元代，人們還編制出了一種航海用的“針路”圖，這種“針路”圖是在不同的航行地點(diǎn)指南針針位的連線(xiàn)圖。船航行到什么地方，采用何種針位方向，一路航線(xiàn)都標(biāo)識(shí)得清楚明白，給船只準(zhǔn)確的指引，成為航行的重要依據(jù)。

1405年，明代航海家鄭和率領(lǐng)龐大的二百四十多艘海船、二萬(wàn)七千四百名船員組成的船隊(duì)遠(yuǎn)航。這些大船被稱(chēng)為“寶船”，最大的“寶船”長(zhǎng)四十丈，闊十八丈，是當(dāng)時(shí)海上最大的船只。這些船上就有羅盤(pán)針和航海圖，還有專(zhuān)門(mén)測(cè)定方位的技術(shù)人員。一直到1433年，鄭和一共遠(yuǎn)航七次，訪(fǎng)問(wèn)了三十多個(gè)在西太平洋和印度洋的國(guó)家和地區(qū)。他的這一壯舉正是得益于構(gòu)造先進(jìn)、讀數(shù)可靠的指南針來(lái)指引航路，才有了順利完成的保障。

2. 指南針的傳播

南宋時(shí)，阿拉伯、波斯商人經(jīng)常搭乘我國(guó)的海船往來(lái)貿(mào)易，逐漸學(xué)會(huì)了使用指南針。大約在12世紀(jì)末的時(shí)候，指南針由海上通路傳到阿拉伯，并最終由阿拉伯人把這一偉大的發(fā)明傳到了歐洲。

恩格斯在《自然辯證法》中就曾指出，“磁針從阿拉伯人傳至歐洲人手中在1180年左右”。而1180年正是我國(guó)南宋時(shí)期，中國(guó)人首先將指南針應(yīng)用于航海，比歐洲人至少早了80年。

（四）指南針與地理大發(fā)現(xiàn)

指南針傳到阿拉伯和歐洲之后，逐漸普及開(kāi)來(lái)，廣泛應(yīng)用于航海、探險(xiǎn)等領(lǐng)域，對(duì)歐洲的航海業(yè)產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)力。

從15—17世紀(jì)，在指南針的指引下，歐洲的船隊(duì)出現(xiàn)在世界各處的海洋上，尋找著新的貿(mào)易路線(xiàn)和貿(mào)易伙伴，以發(fā)展歐洲新生的資本主義。在這些遠(yuǎn)洋探索中，歐洲人發(fā)現(xiàn)了許多當(dāng)時(shí)不為人知的國(guó)家與地區(qū)。與此同時(shí)，也涌現(xiàn)出了許多著名的航海家。

1492—1504年，哥倫布在指南針的引導(dǎo)下，四次出海遠(yuǎn)航，終于發(fā)現(xiàn)了美洲大陸，使其成為名垂青史的航海家。1519—1522年，葡萄牙航海家麥哲倫進(jìn)行了環(huán)球航行，實(shí)現(xiàn)了歷史性的突破。東西方之間的文化、貿(mào)易交流開(kāi)始大量增加，殖民主義與自由貿(mào)易主義也開(kāi)始出現(xiàn)。從此以后，世界格局被打破，美洲的開(kāi)發(fā)和歐洲各國(guó)的資本積累在飛速發(fā)展，指南針的西傳就像打開(kāi)新世界的鑰匙，使世界版圖發(fā)生了翻天覆地的變化。

指南針的誕生不僅對(duì)航海事業(yè)的發(fā)展有著巨大意義，而且對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步也作出了重要貢獻(xiàn)。人們從此獲得了全天候航行的能力，人類(lèi)終于可以在茫茫大海中自由的遠(yuǎn)航，從而迎來(lái)了地理大發(fā)現(xiàn)的嶄新時(shí)代。