指南針是用以判別方位的一種簡單儀器.又稱指北針.指南針的前身是中國古代四大發(fā)明之一的司南.主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針.磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上.磁針的北極指向地理的北極,利用這一性能可以辨別方向.常用于航海、大地測量、旅行及軍事等方面
中國是世界上公認(rèn)發(fā)明指南針的國家.指南針的發(fā)明是我國漢族勞動(dòng)人民在長期的實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果.由于生產(chǎn)勞動(dòng),人們接觸了磁鐵礦,開始了對(duì)磁性質(zhì)的了解.人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石吸引鐵的性質(zhì),后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性.經(jīng)過多方面的實(shí)驗(yàn)和研究,終于發(fā)明了實(shí)用的指南針.最早的指南針是用天然磁體做成的,這說明中國漢族勞動(dòng)人民很早就發(fā)現(xiàn)了天然磁鐵及其吸鐵性.據(jù)古書記載,遠(yuǎn)在春秋戰(zhàn)國時(shí)期,由于正處在奴隸制社會(huì)向封建社會(huì)過渡的大變革時(shí)期,生產(chǎn)力有了很大的發(fā)展,特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更是興盛發(fā)達(dá),因而促使了采礦業(yè)、冶煉業(yè)的發(fā)展.在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中,人們從鐵礦石中認(rèn)識(shí)了磁石. 最早的指南針是司南. 　　
公元前7世紀(jì)成書的《管子·地?cái)?shù)》中就記載：“上有磁石者,下有銅金”.意思說,如果山上有磁石時(shí),山里就藏有鐵礦.地理名著《山海經(jīng)》中,也曾記載“題灌山中多磁石”.《水經(jīng)注》里記載了秦國阿房宮前面,用磁石制成大門,防避有人進(jìn)宮謀刺暗殺,如壞人暗披盔甲、暗藏兵器入宮,就會(huì)被門吸住而被發(fā)現(xiàn),這說明人民很早就發(fā)現(xiàn)了磁石的吸鐵性,并加以利用了. 　
在長期的生產(chǎn)斗爭中,我國漢族勞動(dòng)人民進(jìn)一步利用磁體的指極性,制成指示方向的機(jī)械,這就是指南針.這在《韓非子·有度篇》中和《鬼谷子》一書中都有記載.在《鬼谷子》中記載說,鄭國人到深山密林中去采集玉石時(shí),為了不迷失方向,帶著“司南”.這“司南”就是指南針這種機(jī)械.東漢王充在《論衡》中描述過“司南”,它象只水勺,用天然磁石磨制面成,勺底為球面體,勺呈橢圓狀,勺柄通體漸漸縮成柱狀.為了確定方向,還配有一個(gè)“地盤”,它是銅質(zhì)或涂漆木制盤,中央是平滑圓槽,形狀可能是內(nèi)圓外方,框上刻劃出定向的刻度,用“干”、“支”（即甲、乙、丙、丁……和子、丑、寅、卯……）以及八卦等表明二十四方位.將會(huì)投于地盤中央時(shí),它的柄部就會(huì)大體停止在指南的方位上.以上可知司南是現(xiàn)代指南針（磁羅盤）的體型.“指南”是張衡在《東京賦》中第一次提出來的,以后經(jīng)過魏晉、南北朝、隋、唐,直到宋代經(jīng)過一千多年才逐漸發(fā)展起來了.宋代杰出的科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中,對(duì)指南針發(fā)展的當(dāng)時(shí)狀況作了詳盡的論述.當(dāng)時(shí)在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的推動(dòng)下,特別是航海事業(yè)和外貿(mào)的興起擴(kuò)大下,指南針逐步發(fā)展起來.沈括總結(jié)了勞動(dòng)人民在實(shí)踐在創(chuàng)造的四種指南針的裝置方法.第一種是水浮法,將磁針浮于水面進(jìn)行指南,雖然比較平穩(wěn),但容易動(dòng)蕩不定；第二種是指甲旋定法,將磁針置于指甲上,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,也容易滑落；第三種是碗唇旋定法,將磁針置于碗口邊上,轉(zhuǎn)動(dòng)較靈活,但易滑落；第四種是縷旋法,用蠶絲將磁針懸掛起來,可達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)靈活而又穩(wěn)定.他還記載了人工授磁方法即“以磁石磨針鋒,則能指南”.這種用人工制成磁體,是一個(gè)巨大的進(jìn)步.此外,還曾制出過“指南魚”、“旱針”、“水針”.旱針、水針這兩種指南針,成為近代指南針（羅盤針）的基本結(jié)構(gòu)原理奠定了基礎(chǔ).沈括在研究指南針的過程中,還總結(jié)和發(fā)現(xiàn)了地磁有偏角存在.也就是說,指南針指示的方向,“常微偏東,不全南也”.這是我國對(duì)地磁學(xué)做出的偉大貢獻(xiàn).
指示方向原理
地球是個(gè)大磁體,其地磁南極在地理北極附近,地磁北極在地理南極附近. 　　
指南針在地球的磁場中受磁場力的作用,所以會(huì)一端指南一端指北. 　　
輾轉(zhuǎn)傳入歐洲后在航海大發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮出不可替代的作用.但科學(xué)史家清楚,最早解答“指南針為何能夠指南”問題的并不是中國人,而是英國科學(xué)家吉爾伯特.那么,中國發(fā)明指南針后對(duì)指南針理論作過什么樣的探討?吉爾伯特的理論是否及時(shí)傳到了中國?明末清初的“西學(xué)東漸”,又對(duì)我國指南針理論的發(fā)展有過哪些影響?上海交通大學(xué)科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)系教授關(guān)增建從2003年起開始著手研究這些基本上還是空白的問題. 　　
“中國最早的指南針理論,是建立在陰陽五行學(xué)說基礎(chǔ)上的‘感應(yīng)說’.”關(guān)增建介紹,11世紀(jì)中葉時(shí)我國大科學(xué)家沈括還對(duì)指南針感到匪夷所思,他的《夢(mèng)溪筆談》介紹了指南針的人工磁化方法、磁偏角的發(fā)現(xiàn)和指南針的架設(shè)方法,但對(duì)指南針為什么會(huì)指南卻沒有一點(diǎn)概念——“磁石之指南……莫可原其理!”隨后,文人學(xué)者們從陰陽五行學(xué)說出發(fā),結(jié)合當(dāng)時(shí)人們對(duì)大地形狀的認(rèn)識(shí),提出各種指南針理論.例如,最晚成書于宋代的《管氏地理指蒙》,首先提出如下邏輯： “磁針是鐵打磨成的,鐵屬金,按五行生克說,金生水,而北方屬水,因此北方之水是金之子.鐵產(chǎn)生于磁石,磁石是受陽氣的孕育而產(chǎn)生的,陽氣屬火,位于南方,因此南方相當(dāng)于磁針之母.這樣,磁針既要眷顧母親,又要留戀子女,自然就要指向南北方向.” 　　
關(guān)增建表示,從近代物理學(xué)的觀點(diǎn)來看,“蒙氏理論”完全異想天開,但從事物的屬性出發(fā)解釋其行為,在東西方科學(xué)史上都是常用的做法.我國古代陰陽學(xué)說昌盛,用陰陽學(xué)說闡釋指南針指南及“常微偏東”的原理,是再自然不過的事情.特別是,該理論認(rèn)為磁石不同端面有不同屬性,它們決定磁針的指向,這種說法很容易啟發(fā)人們發(fā)現(xiàn)磁石的兩極,并進(jìn)一步聯(lián)想到磁極與磁針指向之間的關(guān)系,從而為正確認(rèn)識(shí)這一問題找到可能的途徑. 　
　南宋人的指南針原理,仍認(rèn)為“指南針之所指,即陽氣之所在”,只是圍繞磁偏角現(xiàn)象,立論依據(jù)更多轉(zhuǎn)向地理方位的坐標(biāo)系統(tǒng)——中國古人認(rèn)為地是平的、大小有限,這樣地表面必然有個(gè)中心,過該中心的那條子午線就是唯一的南北方向.南宋人曾三異等認(rèn)為,一旦測量地點(diǎn)不在這條南北線上,指南針?biāo)赶蜃匀弧吧倨?到明代,有人假托南唐人著作指出,指南正針由大地方位系統(tǒng)決定,而偏角則由天體方位劃分系統(tǒng)所決定.關(guān)增建認(rèn)為,這種說法“體現(xiàn)了傳統(tǒng)指南針理論在陰陽感應(yīng)學(xué)說和磁偏角的存在這一矛盾面前所表現(xiàn)出來的窘迫”. 　　
明萬歷年間（公元1573～1620年）,傳教士來華,帶來西方的指南針理論、地球?qū)W說以及相關(guān)科技知識(shí).受其影響,中國學(xué)者開始從新的視角探討指南針理論問題,在此過程中,陰陽五行的作用不斷淡化,力學(xué)角度的分析不斷增加,但吉爾伯特1600年提出的科學(xué)理論連西方學(xué)界都沒統(tǒng)一,更談不上入主東土.傳教士中,1658年抵華的比利時(shí)耶穌會(huì)士南懷仁的指南針理論最系統(tǒng),但他認(rèn)為決定磁針指向的是地球的地理南北兩極本身,理論仍然局限在古代科學(xué)的范圍,而不像吉爾伯特認(rèn)識(shí)到地球本身存在一個(gè)磁體.南懷仁理論在中國影響深遠(yuǎn),直到19世紀(jì)中葉,我國仍有學(xué)者用它解釋指南針問題.而此時(shí),清末來華的傳教士已開始著手把西方近代磁學(xué)知識(shí)介紹給中國了.