指南针

指南针在航海中的普遍应用我国古代劳动人民很早就利用磁石可以 指示南北的特性，制成了指南工具 早在战国时我们祖先就了解并利用磁石的指极性制成最早的指南针——司南。 战国时的《韩非子》中提到用磁石制成的司南。战国时期的司南是什么样子现已无法考证。 《中国历史》课本插图“司南”，是根据中国历史博物馆展品“汉代司南模型”绘制的。这个模型是后人根据 史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。 司南 地盘是青铜做成的，内圆外方，中心圆面磨得非常光滑，以保证勺体指示方向的准确性。这里的“地”，是指汉代栻占的方形“地盘”， 地盘四周刻有八千（甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸）和十二支 （乾、坤、粪、民），共二十四向，用来配合司南定向。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，共计二十四个方位。 地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的，磁铁的正极磨成司南的长柄，勺头底部是半球面，非常光滑，圆圆的底部是它的重心。使用 时先把地盘放平，再把司南放在地盘中间，用手拨动勺柄，使它转动， 等到司南停下来，勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到八世纪 时仍在应用。这种仪器就是指南针的前身，由于当初使用司南必须配 上地盘，所以后来指南针也叫罗盘针。

从战国、秦汉、六朝以至隋唐的古籍中。有不少关于司南的记载。如《韩非子有度篇》里有“先王立司南以端朝夕”的话，“端朝夕” 就是正四方的意思。《鬼谷子谋篇》里也记载说，“郑人取玉，必 载司南，为其不惑也。”就是说郑国的人到远处去采玉，就带了司南 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。 在制作中，天然磁石因打击受热容易失磁，磁性较弱，司南不能广泛流传。 王振铎据《论衡》等书记载并参照 出土汉代地盘研究复制的司南模 型———一种勺形磁性指向器，现 藏国家博物馆 宋代人们已会制造人工磁体 方法大只有两种：一是把铁片剪成鱼形，放在火里烧红，趁热夹 出，顺南北方向放置地面，冷却后因受地磁感应 而带有了磁性。 二是把铜针在天然磁体上摩擦，而有了磁性。 《梦溪笔谈》卷二十四中有记载 “方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也，水浮多荡摇。指爪及碗唇上皆可为之， 处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南、北者皆有之。磁石指南，犹柏之指西，莫 译文：方家用磁石磨成针(的形状针头锋利)，于是可以指向南方，然 而常常略微偏东，不全在正南方，(放在)水上常震动摇摆.(在) 手中或碗边都有可能这样，运转的速度很快，但在坚硬光滑 (的表面)容易滑落掉下，不过(在这几种方法中)以悬挂为最 好的.这个方法是取新产的丝绵中独好的茧丝一缕，用芥菜 的种子蘸蜡(抹在上面)，系在针的中间(位置)，在没有风的地 方悬挂，则针常常指向南方. 其中有的针则指向北方. 余家 (的方法)指南，指北的都有。

磁石指向南方就像柏朝向西方， 没有办法说明它的原理。 四种指南针 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。 沈括对四种方法做了比较 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。 缕悬法指南针大约在北宋初年，我国又创制了一种 指南工具——指南鱼 北宋官修的一部军事著作《武经总要》中说：行军的时候，如果遇到阴天黑夜，无法辨明方向，就应当让老马在前面带路，或者用指南车 和指南鱼辨别方向。 《武经总要》这部书是在北宋仁宗庆历四年（公元一零四四年）以前写成的。这就是说，在那个时候，我国已经有指南鱼，并且把它应用 到军事方面去了。 指南鱼用一块薄薄的钢片做成，形状很象一条鱼。它有两寸长、五分宽，鱼的肚皮部分凹下去一些，它象小船一样，可以浮在水面上。

钢片做成的鱼没有磁性，所以没有指南的作用，如果要它指南，还必 须再用人工传磁的办法，使它变成磁铁，具有磁性。 指南鱼的另一种制作方法 南宋末元代初的陈元靓在其著作《事林广记》中介绍了另一类指南鱼的制作方法：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。 使用指南鱼，比使用司南要方便，它不需要再做一个光滑的铜盘，只要有一碗水就可以了。盛水的碗即使放得不平，也不会影响指南的作 用，因为碗里的水面是平的。而且，由于液体的摩擦力比固体小，转 动起来比较灵活，所以它比司南更灵敏，更准确。 北宋水浮法指南鱼是世界上第一件用 人工磁体制成的指 南工具 元代陈元靓设计的指南鱼元代“针碗” 在辽宁大连甘井子元代墓葬、江苏丹徒照临村元代窖藏及河北磁县漳河故道发现的元代沉船中，均曾出土一种白釉瓷碗，碗内底用褐釉画3 个大点，当中贯一细道，看起来像个“王”字，而碗底外面则写着一个 “针”字。经科学史家王振铎研究证实，“王”字代表穿在3枚浮漂 上的磁针，这种碗就是航海时指方向的“指南浮针”所用的针碗。

北 宋时已有将指南针用于航海的记载，但宋代有关的实物未能保存至今。 元代针碗则是中国这一发明最早的实物见证，是具有重要意义的科技 文物。 针碗的水面上漂着浮针，碗内底的“王”字形标志则有助于标明方向。先将王字中的细道与船身中心线对直，如船身转向，磁针和该细线便 形成夹角，从而显示航向转移的角度。故宫博物院所藏明代针碗还有 在碗内底标出一圈二十四方位名称的，使用时就更便于观察了。 人工传磁 关于怎样进行人工传磁，《武经总要》没有明白的记载，但是它指出，指南鱼要用“密器收之”，也就是说，要拿一个密封的盒子藏起来。在盒子里， 使它们接触，时间久了，钢片做的鱼就也会具有磁性，变成磁铁。 原来，不管磁化或者没有磁化的钢铁里面，每一个分子都是一根“小磁铁”。没有磁化的钢条，它的分子毫无次序地排列着，“小磁铁”的磁性都互相抵 消了。磁化了的钢条，所有的“小磁铁”都整整齐齐地排列着，同性的磁极 朝着一个方向，不用说，整个钢条就具有磁性了。如果拿一块磁铁，紧紧擦 着一根没有磁化的钢条，老是从这一头向另一头移动，那么，由于磁铁的吸 力，普通钢条中的分子也都顺着一个方向排列起来，这样，就完成“传磁” 的工作了。

《武经总要》上讲到的“密器收之”，可能就是指这种人工传磁 方法。 指南龟 指南龟是北宋初年流行的一种新装置，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。 这种木头指南龟，很可能是一些懂得方术的方士创造的，做成以后只是用来变戏法。所以《事林广记》的作者，把它们当作“神仙幻术” 元代指南龟的首尾分别指向南北指南针应用于航海的记载 北宋《萍洲可谈》是最早记载航海中使用指南针的文献，书中说：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指 南针。” 南宋《诸蕃志》里写道：“舟舶来往，惟以指南针为则，昼夜守视为谨，毫厘之差，生死系焉。” 可见当时指南针在航海中的重要地位。指南针应用于航海 指南针的发明和应用，不仅使人们克服了远航时不易辨别方向的困难，而且也推动了世界航海事业的发展和文化交流。南宋时一些阿拉伯商 人和波斯商人经常搭乘我国的渔船往来贸易，他们学会了指南针的制 造方法，同时又把这个方法传到了欧洲。到了十二世纪末、十三世纪 初，阿拉伯和欧洲一些国家才开始用指南针来航海，比起我国已经迟 了一百多年。

郑和下西洋船队的每艘船上，均配有罗盘，由二十四名官兵掌管航船的方向，这种罗盘的精度很高，采用二十四个方向，各以天干地支 与八卦五行命名，标记方位，这是当时最先进的航海技术。自从公元 前三世纪中国“四大发明”之一的指南针问世以来，很快便用于航海。 到了明代，各项技术指标已经相当完整，因而为郑和下西洋开辟了航 海史的新纪元。 航海罗盘方位盘 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。 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。 指南车 指南车，又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种机械装置。

它利用差速齿轮原理，它与指 南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动系统， 根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车 子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回 运而手常指南”。 指南车的起源——黄帝说 谓黄帝作。晋崔豹《古今注》卷上：“大驾指南车，起黄帝与蚩尤战于涿鹿之野。蚩尤作大雾，兵士皆迷。于是作 指南车以示四方，遂擒蚩尤而即帝位。”谓风后作。 《太平御览》卷十五引《志林》：“黄帝与蚩尤战于涿鹿 之野。蚩尤作大雾弥三日，军人皆惑。黄帝乃令风后法斗 机，作指南车，以别四方，遂擒蚩尤。”谓玄女作。 《事物纪原》卷二引《黄帝内传》：“玄女为帝制司南 车，当其前。”谓周公作。《太平御览》卷七七五引 《鬼谷子》：肃慎氏献白雉于文王。还，恐迷路问，周公 因作指南车以送之。 指南车的制造 东晋安帝义熙十三年（417年），刘裕北伐进兵长安，后秦姚兴使令狐生制造指南车。 南朝的祖冲之又发明一次，《南齐书•祖冲之传》：“初，宋武平关中，得姚兴指南车，有外形而无机巧，每行，使人于内转之。升明中，太祖辅政，使 冲之追修古法。冲之改造铜机，圆转不穷，而司方如一，马钧以来未有也。” 宋、金两朝的燕肃与吴德仁等科学家都研制出指南车，但之后又失传了。

《宋史舆服志》对其机械构造有具体记载。宋代造法有天圣五年（1027） 燕肃所献传统做法和大观元年（1107)内侍省吴德仁所献车制两种。 指南车的创造标志着中国古代在齿轮传动和离合器的应用上已取得很大成就。宋代燕肃的指南车 燕肃的指南车是一辆双轮独辕车，车上立一木人，伸臂指南。车中，除两个沿地面滚动的足轮(即车轮)外，尚有大小不同的7个齿轮。 《宋史舆服志》分别记载了这些齿轮的直径或圆周以及其中一些齿 轮的齿距与齿数。由齿数、转动数，并保证木人指南的目的，可见古 人掌握了关于齿轮匹配的力学知识和控制齿轮离合的方法。车轮转动， 带动附于其上的垂直齿轮(称“附轮”或“附立足子轮”) 又使与其啮合的小平轮转动，小平轮带动中心大平轮。指南木人的立轴就装在大平轮中心。当车转弯时，车辕会自动控制车上的离合装置， 即竹绳、滑轮(分别居于车左或车右的小轮) 和铁坠子，就可以控制大 平轮的转动，从而使木人指向不变， 宋代吴德仁的指南车 吴德仁鉴于燕肃所制的指南车不能转大弯，否则指向就失灵这一大缺点，重新设计制作指南车。吴德仁指南车基本 原理与燕肃一致，只是在附设装置方面较为复杂。他的车 分上下两层。上层除木人指南外，绕木人还有二只龟、四 只鹤和四个童子。

上层13个相互啮合的齿轮就是为它们 设的。下层的齿轮装置与结构如前所述，是他发明了绳轮 离合装置，以保证车转大弯也不影响木人指向。 指南车的使用 皇帝在隆重场合才使用，仪仗队中常不可少。《南齐书》中还记述了一件有趣的事，南北朝时的刘宋平定关中后，得到一具指南车，做为战利品，但只有外形，而无内部 “机巧”，于是皇帝出行时，使人躲在车内操纵，可见有无指南车关系到皇帝的尊严 与体面，很为重要。 指南车的使用直到宋代，按《宋史》记载可知北宋时肯定有指南车，在宋代南迁后，屡经战乱，无心也无力顾及指南车了。宋后，建立了元朝，少数民族统治中国，并不 重视汉族以往的传统，未见再研制指南车了，以后就次绝迹。 指南车在使用期间，规格很高，为皇帝所用，车身高大，装饰华美，还雕刻着金龙、仙人。行走时前呼后拥，所用“驾士”相当多，如《金史》就说有十二人驾驶，而 《宋史》则说原有“驾士”十八人，后增至三十人。《宋史》中还记载着，后魏时曾 有马岳造指南车，“垂成”之时，被人毒杀。这些就决定了指南车很难用于实战。 中国国家博物馆根据《三国志》注引 制的指南车模型参考文献 《品读世界科学史》陈文斌主编北京工业大学出版社2007年版 《中国科学技术史物理卷》戴念祖主编科学出版社2001年版 谢谢！ 甘肃武威市（古称凉州）磨嘴子汉墓出土甘肃省博物馆藏 栻盘是古人占卜天象、历算的工具，是中国古代天圆地方思 想的实物表现，和今天风水先 生用的罗盘性质差不多，由圆 形的天盘和方形的地盘组成。

上刻二十八宿星。天盘径6厘 米，厚1厘米，地盘边长9厘米， 天盘现存150余个刻度，地盘 有182个刻度。 圆形的天盘和方形的地盘的中心以轴相连，地盘四角与天盘 有双线相连，内嵌一大二小三 个竹珠，构造复杂，是研究中 国古代天文、历法和数术的重 要实物资料。 水罗盘和旱罗盘 所谓水罗盘，是指磁针浮于水面，没有固定支点的水浮针盘。明初巩珍随郑和下西洋，在他的《西洋番国志》自序中曾对这种水罗盘作了 记述：〝皆斲（zhuo）木为盘，书刻干支之字浮针于水，指向行 舟〞。而水浮法指南针则被用于海船导航，开创了世界航海史的新纪 元。指南针被用于航海，人们由指南针的指向，写了一本"针经"，记 载了航线、礁石等位置。 至明嘉靖年间（西元1522-1566年）又出现一种〝旱罗盘〞，这是指磁针不藉助水的浮力，而用一个支轴的尖端顶在磁针的中部，使磁针 可以平衡旋转的装置。这种装置同木刻指南龟的装置原理基本上相同； 而这种旱罗盘是十六世纪从国外传进来的。