指南针的始祖——司南 　　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.样子象一把汤勺,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.古人称它为“司南”,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. 　　司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成,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. 　　指南针的发明 　　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.东晋的崔豹在《古今注》中曾提到这种“指南鱼”. 　　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.烧红的铁片内部分子处于比较活动的状态,使铁分子顺着地球磁场方向排列,达到磁化的目的.蘸入水中,可把这种排列较快地固定下来,而鱼尾略向下倾斜可增大磁化程度.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. 　　沈括还在《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. 　　《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. 　　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》一书记载的不一样,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. 　　磁性质的应用 　　指南针一经发明很快就被应用到军事、生产、日常生活、地形测量等方面,特别是航海上.指南针在航海上的应用有一个逐渐发展过程.成书年代略晚于《梦溪笔谈》的《萍洲可