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指南针——地理大发现的前导(上)

时间:2016-03-01 09:44来源:吉林文史出版社 作者:点击:

当人们在碧波荡漾的大海中航行,在硝烟弥漫的战场上作战,在异国他乡游历的时候,身在一个陌生的环境里,经常会迷失方向,辨不清南北,找不到归途。所以很早,人们就开始研究、掌握各种辨别方向的方法。

古时候,人们是通过观察天象来辨别方位的,晚上通过看北极星的方向来确定方位,白天通过看日影的方向来确定方位。可是,一遇到阴天下雨的恶劣天气,这种方法就不灵了,看不见太阳也看不见星星,无法确定方向,尤其是到了晚上,周围一片黑暗,极易酿成惨剧。

实践的需要就是生产的动力,经过劳动人民不断的摸索实验,终于发明了一个能够指示南北、判别方位的小工具——指南针。

指南针由一根装在轴上可以自由转动的磁针和标有刻度的底盘组成,磁针在地磁场的作用下可以指示南北方向。有了它,我们就能在世界的各个角落找到方向,辨清位置,就好像黑暗中的一缕阳光照亮人间,给人们的生产生活带来极大的方便。

今天,现代的指南针已经发展得非常成熟和完善,甚至在GPS中也会用到,精致的外观,先进的功能,使它被广泛应用于军事、航海、探险等各个领域,成为名副其实的重要导航工具。

(一)磁现象的发现

1.磁石引铁

说起指南针的诞生,我们首先要从磁现象的发现说起。早在两千多年前,也就是春秋战国时期,我国的劳动人民就已经掌握了用铁制造农具的方法,人们在寻找铁矿的过程中,发现山上有一种“石头”具有非常神奇的特性,这种石头可以魔术般地吸起小块的铁片,而且在随意摆动后总是指向同一方向。正因为它一碰到铁就吸住,好像一位慈祥的母亲吸引自己的孩子一样,所以古人称其为“慈石”,后来才逐渐演变为“磁石”。

这种“磁石”其实是一种磁铁矿的矿石,主要成分是四氧化三铁,而它具备的这种吸引铁一类物质的性质就是磁性,所有具备磁性的物体我们都称之为磁体。

我国关于磁石的最早记载见于《管子·地数篇》:“一曰上有铅者,其下有鉒银,上有丹砂者,其下有鉒金,上有慈石者,其下有铜金,此山之见荣者也。”这里的“铜金”就是一种铁矿。人们不仅发现了磁石,还在生产实践中将磁石付诸了应用。秦朝时候就有这样的故事:传说秦始皇修建阿房宫时,有一个宫门就是用磁铁制造的。如果刺客带剑而过,立刻被吸住,会被卫兵当场捕获。

这样的故事还有很多,《晋书·马隆传》记载了马隆率兵西进甘肃、陕西一带,在敌人必经的一条狭窄道路两旁堆放磁石,这样穿着铁甲的敌兵路过时,就被牢牢吸住,不能动弹。而马隆的士兵穿的是犀甲,磁石对他们没有任何作用。敌人却以为是神兵来了,纷纷落荒而逃,不战而退。

东汉的《异物志》记载了在南海诸岛周围有一些暗礁浅滩含有磁石,磁石经常 “以铁叶锢之”,把船吸住,使其难以脱身。

这些故事都说明人们在生产劳动中,发现了磁铁,了解了磁石引铁的性质,后来又逐渐发现了磁石的指向性,并且利用这一性质发明了指南针。

2. 磁针指南

人们发现了磁铁之后,做了很多有意思的实验和尝试,发现磁铁除了铁之外果然不能吸引其他的物质,而且磁铁的两端是它吸力最强的部分。当两块磁铁相互靠近时,意想不到的事情发生了,两块磁铁有时候会互相吸引,有时候又相互排斥。这又是怎么一回事呢?

通过不断的研究,人们发现,两块磁铁相互吸引或是相互排斥,是因为每块磁铁的两端都有不同的磁极,也就是磁铁两端吸力最强的部分,一端是正极,也称为S极,另一端是负极,称为N极。当两块磁铁的同性磁极相靠近时,它们会相互排斥,而异性磁极相靠近则会相互吸引。这就是磁铁同极相斥、异极相吸的原理。人们在发现了磁铁的这个特性之后,制作出了很多生产和生活用品。

在汉武帝的时候就有这样一个故事,说胶东有个叫栾大的人,献给汉武帝一种斗棋。这种棋子一放到棋盘上,就会互相碰击,自动斗起来。汉武帝看了非常惊奇,还给栾大封了官。这种棋子就是用磁石做成的,磁石有磁性,能够互相吸引碰击,形成了“斗棋”。

世界上的物质普遍都具有磁性,因为强弱和种类的不同而呈现出不同状态。世界上最大的磁体莫过于我们居住的地球了,地球是一块天然的大磁铁,磁极分别靠近地球的两端,靠近地球北极的是负磁极,靠近地球南极的是正磁极。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,在地球磁场的作用下,它的正极总是指向南方,而负极则总是指向北方。根据这一原理,人们发明创造出了指南针。

3. 磁偏角

我国北宋著名的科学家沈括在进行指南针试验的时候,有了一个重大的发现,他发现磁针所指示的方向并不是地理上的正南和正北,而是微微偏西北和东南,这一现象在科学上叫做“磁偏角”。这说明地球这个磁体的两个正负磁极和地理上的南北极并不重合而只是接近,因此,指南针所指示的方向与地理上的正南和正北方向有一定的偏差。

中国古人正是因为最早发现了磁偏角的存在,从而在确定方向时予以校正,使指南针在指向的时候变得更加准确,保证了航向的正确。在西方,直到1492年哥伦布横渡大西洋的时候,才发现了磁偏角的存在,比我国晚了四百多年。

(二)指南针的产生及发展

指南针大约出现于我国的战国时期,最初的指南针被称为“司南”。最早记载于公元前3世纪战国末年的《韩非子·有度》中:“故先王立司南,以端朝夕。”其中“端朝夕”为正四方之意。《鬼谷子·谋篇》中也有“郑子取玉,必载司南,为其不惑也”的记载,其中“为其不惑”是“为了不迷失方向”的意思。后来经过不断的发展和改进,在不同的历史时代,指南针也出现了不同的形态。

1. 司南

司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的指示南北方向的指南工具,是指南针的始祖。它由一把“勺子”和一个“地盘”组成。司南勺由整块天然磁石制成。它的磁南极那一头被琢成长柄,圆圆的底部是它的重心,琢得非常光滑。地盘是个铜质的方盘,中央有个光滑的圆槽,四周刻着格线和表示二十四个方位的文字。由于司南的底部和地盘的圆槽都很光滑,司南放进了地盘就能灵活地转动,在它静止下来的时候,磁石的指极性使长柄总是指向南方。这就是我们的祖先发明的世界上最早的指示方向的仪器,古人称它为“司南”。其中,“司”就是“指”的意思。

在使用司南的时候首先要把地盘放平,再把司南放在地盘的中间,用手轻轻拨动勺柄,使它轻轻转动,等到司南慢慢停下来,勺柄所指方向就是南方,人们以此来辨别方向。直到8世纪的时候人们仍然在使用这种勺形的司南。

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。司南在磨制工艺和指向精度上都受到较多的限制,而且由于司南有一定的体积和重量,所以携带很不方便,这使司南不能广泛流传。
 

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(由 馨笛 编辑整理)
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