邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[追踪]去科技馆学科学——磁石的奥秘与指南针的发明

贾彤宇/中国科学技术馆

2019-01/总第274期

阅读数0

微信图片_20181225090053.png

磁石对每个人来说并不陌生,我们都知道有一种吸铁石可以魔术般地吸起小块的铁片和铁针。生活中的方方面面都离不开磁石的应用,指南针的发明就与磁石有着密切的关系。《义务教育小学科学课程标准》中将“观察实验和探索了解磁铁的基本性质”“了解指南针是中国古代四大发明之一”作为重要学习内容。

我们的祖先很早就懂得了识别方向的重要性,每天看到太阳总是有规律地从东方升起,在西方落下,所以开始用太阳作为辨别方向的依据;在繁星满天的夜晚,就用北极星指引方向。可是当离开熟悉的环境,或者遇到阴雨天气,遇到没有星光闪烁的夜晚,如果想分清东南西北,那就十分困难了,这个问题在很长的时间里困扰着古人们,于是人们试图寻找出一种定位辨向的仪器,从此开始了漫长而艰苦的探索和创造的征程。那么我国古代的先人们是什么时候发现磁石的奥秘,又是如何利用磁石的性质发明了指南针的呢?来中国科技馆“华夏之光”展厅里了解指南针发明的历程吧!

磁石的性质

早在2 000多年前的春秋时期,我国古代人民就掌握了炼铁技术,开始冶炼金属,制造工具。人们在寻找铁矿的时候发现了一种神奇的矿石,这种矿石的引人注目之处在于它能够吸铁,经常是在一块石头上吸附着很多小的铁屑,最初人们无法正确解释这一现象,于是就用母子情作比喻,认为矿石是铁的母亲,慈祥的母亲在吸引自己的孩子。

相传在古代的时候,人们用磁石做成棋子,《史记·封禅书》中记载了这么一个故事:西汉时有个名叫栾大的方士,制作了一种斗棋,当把2个方形的棋子摆在一起,能够“相拒不休”,不断排斥,换个摆法,又相互吸引,把这种棋子一起放到棋盘上,又会互相碰击、乒乓作响、自动地打斗起来,栾大将棋献给了汉武帝,汉武帝看了非常惊喜,封他为“五利将军”。其实栾大的棋子是用磁石做的,磁石有N极和S极,同性磁极相斥,异性磁极相吸,棋子一多,有的相吸,有的相斥,因而就会发生互相碰击。

我国古代人民发现了磁石具有南北方向的指向性,逐渐了解到长条磁棒有指向南北方向的特征。原因是地球本身就是一个大磁石,也有磁性和磁极,磁极为地球南北的2个端点,就是南极和北极。由于磁石有异极相吸和同极相斥的特性,所以磁石的磁南极就与地球的磁北极相互吸引,因此总是指向南方。

磁偏角的发现与4种磁针指南法

北宋时期的科学家沈括写了一本《梦溪笔谈》,书中记载了“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也”。说明在北宋就已经发现了地磁场的南北极与地理上的南北极是接近的,但并不重合,它们之间存在夹角,这个夹角被称为地磁偏角。沈括的记载比哥伦布发现磁偏角早了400多年。

微信图片_20190130153318.png

沈括在《梦溪笔谈》一书中还记载了4种磁针的安置方法,首先以“磁石磨针锋”,实现人工传磁,制作磁性钢针,然后介绍了安置磁针的4个实验。第1种为水浮法,将磁针横穿于灯芯草,放入盛水的碗中,借助水的浮力,使磁针漂浮于水面,用以指示方向。第2种为碗唇法,将磁针置于碗沿上。第3种为指甲法,把磁针架在指甲上。第2、第3种方法的优点是磁针转动比较灵活,缺点是重心难以掌握,磁针容易坠落。第4种为缕悬法,用新蚕茧的单丝作悬线,以芥子大小的蜡珠黏合,将其悬挂于无风处,可以稳定地指示方向,此法在4种磁针安置方法中效果最好。“华夏之光”展厅中就放置了一个缕悬法指南模型。

指南鱼

北宋时期,曾公亮在《武经总要前集》中记载了指南鱼的制作及人工充磁方法,其中指南鱼的制作方法分为4个步骤:将薄铁片剪成长2寸、宽5分,首尾尖锐的鱼形,鱼腹部略下凹;放入火中烧至通红;将烧制好的鱼铁片取出后蘸水冷却,放入水中时使鱼尾指向正北方向,并稍向下倾斜;取出后,鱼形铁片即被磁化,具有指向性。使用时将水盆置于无风处,再将鱼形铁片平放入水盆中,则鱼头指向南方。

201901kjgxkx1-6.jpg

磁铁的磁性是由内部磁畴的规则排列产生的,非磁铁的磁畴排序则是杂乱无章的,因而不具有磁性。鱼尾朝地理北极磁化,则鱼尾具有南极磁性,鱼首具有北极磁性。鱼形铁片烧红之后,内部磁畴活动加剧,沿着南北方向放置,在强大的地磁场作用下,磁畴顺着地磁场的作用规则排列,然后将其放入水中经过急剧冷却,使磁畴的规则排列迅速固定,按照同性相斥、异性相吸的原理,鱼首就指向南方。指南鱼不用时,放置在一个铁制的密闭盒子中,形成闭合磁路,以免磁性消失,或放一块天然磁石在旁边,以加强磁性,使用时放在碗中的水面上便可以指出南北方向。

指南龟

南宋陈元靓在《事林广记》中记载了当时流行的一种指南龟。指南龟由木头雕刻而成,将1块磁石藏于它的腹中,在它的肚子下面挖1个光滑小孔,将小孔支撑在一固定的竹钉上,使木龟可以自由旋转。拨动木龟,待静止后,指示南北方向。它是世界上第1具支撑式指南工具。

微信图片_201901301533181.png

指南龟的原理和指南鱼相同,不同的是指南龟的装置方法,它有了一个固定的支撑方式,由于支点处摩擦力很小,木龟就可以自由地转动指示方向,这就是后来出现的旱罗盘的雏形。

指南龟发明的年代不晚于1325年,根据记载,指南龟应是懂得方术的方士创造的,只是用来变戏法,并未用于航海导向。

元代针碗

1958年在辽宁旅顺的一座元代墓葬中出土了一批针碗,碗底部写有“针”字。这些碗的共同特点是碗内有一个类似草书的“王”字,三横粗大代表灯芯草,中间细竖代表磁针。使用时往碗内注上水,将插有灯芯草的磁针置于水面,浮针与碗内“王”字图形相对照以确定方向,“王”字在一定程度上起着方位盘的作用。

201901kjgxkx1-9.jpg

在船上使用时,针碗的水面上飘着浮针,“王”字有助于指示方向。首先将“王”字形的细划线对准船身中心线,当船转弯变换方向时,磁针和细线就会形成夹角,从而显示航向变换的角度。当浮针与细划线呈十字交叉时,细划线指的方向就是东西方位,这样就很容易确定东西南北4个方向了。

罗盘

罗盘有水罗盘和旱罗盘,水罗盘在凹槽内注水以放置磁针,中间盛水放针部位称天池,盘面周围刻有24个字表示24个方位,子为正北,午为正南,卯为正东,酉为正西,乾、巽、艮、坤则分别表示西北、东南、北东、西南4个方位,每两个字相差15°。磁针不用时,需与磁石放在一起充磁。水罗盘问世后,很快便用于航海。

微信图片_201901301533182.png

旱罗盘上刻度精细,标明方位和八卦,磁针采用中轴式支撑,使磁针不再在水面上飘荡,磁针转动起来就更加自由,指向也更加精确。

指南针一经发明,就好似轮船长了眼睛,成为海上导航最重要的仪器。12世纪末13世纪初,指南针由海路传入阿拉伯,经由阿拉伯传入欧洲,为哥伦布发现美洲大陆和麦哲伦的环球航行奠定了基础,对中国乃至全世界都产生了巨大的影响,引起了航海技术的重大革新,从此改变了世界的面貌。

以下平台可使用同一账号密码登录,点击开始同步密码

确认