指南针是谁发明的?指南针是怎样指示方向的?

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指南针是怎样指示方向的?今天就由童乐福科学网小编为同学们讲解指南针是谁发明的?指南针是怎样指示方向的?

指南针是谁发明的?指南针是怎样指示方向的?插图

指南针是我国古代劳动人民的四大发明之一,也是中华民族对世界文明作出的一项重大贡献。最初的指南针是用天然磁石制成的,样子像一只勺,底部光滑,可以在平滑的铜质或木质的“地盘”上自由旋转,等它静止下来,勺柄就会指向南方,人们管它叫“司南”。大约在北宋初期,我国古人又创制了一种新的指南工具——指南鱼。它是根据物理学上磁学原理研制而成的。

指南针是磁铁做成的。磁铁能吸铁,通常称为“吸铁石”,古代称为“慈石”,因为它一碰到铁就吸住,好像一个慈祥的母亲吸引自己的孩子一样。后来,人们才称它为“磁石”。

每块磁铁两头都有不同的磁极,一头叫S(南)极,另一头叫N(北)极。我们居住的地球,也是一块天然的大磁体,在南、北两头也有不同的磁极,靠近地球北极的是S极,靠近地球南极的是N极。我们知道,同性磁极相斥,异性磁极相吸,所以,不管在地球表面的什么地方,拿一根可以自由转动的磁针,它的N极总是指向北方,S极总是指向南方。

地球是个大磁体,随地理位置的不同,磁场的方向也是不同的。其地磁要素磁偏角因地而异,且一般不为零。个别地方磁偏角较大,致使磁针所指示的方向与地理南、北方向完全不同。我国境内的磁偏角比较小,基本上在10°以内,东部西偏西部东偏。为使用方便,各地都测出磁偏角的大小,在使用指南针时,首先根据该地磁偏角的大小,将测出的方向进行修正后得出该地的地理南、北方向。这就是运用指南针来指示地理方向的原理。

春秋时代,人们已经能够将硬度5°~7°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°~6.5°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作了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺形,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,如天然磁体不易找到,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。

《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。他在《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。”意思是说,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。

指南针是怎样指示方向的?

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54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。

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。北宋时,曾公亮在《武经总要》中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》也谈到指南针不全指南,常微偏东,也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。

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