《市南物理》系列专题：科普读物（中国古今物理成就和应用）（11）

市南物理

加/油/学/物/理

前言——

2022年“十四五”的开局年，随着“双减政策”的出台，新的课程标准的颁布，为了“让核心素养落地”，市南初中物理学科的骨干老师会陆续为老师和同学们推出系列专题，使我们义务教育阶段物理学科的教与学能够紧跟时代发展要求。“市南物理”专栏会在青岛市初中物理微教研公众平台中与大家见面，希望能与老师和同学们有更深入的交流和探讨！

简介——

市南区共有12所初中学校，万余名初中学生，80余名物理教师。区域中学生整体素质好，不同学生各有所长，适应未来发展能力强；物理教师教育理念先进，队伍梯队发展均衡，名师和骨干教师占比过半；学科教研氛围浓厚，师生有强烈的终身学习意识。

PART02.

科普读物

>>中国古今物理成就和应用<<

闪烁星辰永不落 指南针业绩世代扬

——中国古代磁学成就

撰稿:青岛5中物理组  周琛

编辑审阅： 陈翠玉

中国磁学的历史是科学史中丰富多彩的篇章。在世界文明古国中，只有中国和希腊大致同时发现了磁石吸铁现象，中国还发现了磁石的指极性，并利用这一性质发明和创造出指南针的只有中国。中国最早发现了地磁偏角、地磁倾角和磁石的极性。在以后的上千年中，人们把磁应用到建筑、医疗、军事、航海等各个方面。我国古代人们在这方面的成就一直走在世界的前列，特别是指南针的发明。人们从生产和生活中积累知识，进行探索和创新，从而创造了我国古代的磁学方面的伟大成就。一、磁石的性质

战国时期，由于炼铁技术的兴起，人们已发现了磁铁矿与其他矿物的共生关系。《管子·地数》写道：“上有丹砂者，下有黄金。上有慈石者，下有铜金。”秦汉时期，人们称磁石为“慈石”。《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》写道：“慈石召铁，或引之也。”几千年来，中国人对磁石释义一直持此说法。这表明，他们早在公元前7世纪已经发现了磁石的吸引性质。大约在唐宋年间，将“慈石”写成“磁石”。磁石可以吸铁，但它不能吸引其他某些物质，这一现象也被古代人所发现。《淮南子·览冥训》写道：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。物固不可以轻重论也。”磁石的作用可以在相隔一段空间距离内发生，这种现象被晋代人称之为“磁石吸铁，隔阔潜应”；这大概是关于电磁超距作用的最早的思想。到了清初，人们已发现了磁屏蔽现象。清代刘献廷写道：“‘磁石吸铁，何物可以隔之？’犹子阿孺曰：‘惟铁可以隔耳。’”我们知道，将铁放进带有厚壳的封闭的铁罩内，其外的磁铁就不能吸引它；这种现象称为磁屏蔽。古代人还根据磁石吸铁能力将磁石分类。刘宋时期《证类本草》中指出，“夫欲验者，一斤磁石，四面只吸铁一斤者，此名延年砂；四面只吸铁八两者，号曰续采石；四面只吸铁五两以内者，号曰磁石。”古代人的这种分类法，可以看作现代对磁性材料的分类之肇始。二、从司南、指南针到罗盘指南针的发明是举世公认的古代中国的伟大成绩就之一。英国哲学家培根曾指出，“印刷术、火药和指南针这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了，……并由此又引起难以计数的变化也在竞至任何帝国、任何教派、任何星辰对人类事务的力量和影响都仿佛无过于这些机械的发现。”司南是指南针问世之前最古老的磁性指向器；战国时期成书的《韩非子·有度》写道：“夫人臣之侵其主也，如地形焉，即渐以往，使人主失端，东西易面而不自知。故先王立司南以端朝夕。”从这段文字中来看，很可能战国时期已有磁性司南指向器。《鬼谷子·谋篇》中也有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的说法，明确说明司南的作用是为了不迷失方向（“为其不惑”）。东汉王充在其著《论衡·是应篇》中写道：“司南之勺，投之于地，其抵指南。”司南的创制可能要早于汉代，从王充记载看，至晚汉代已有了磁性指向器。自从汉代或战国人发明司南之后，直到唐代，人们不断地制造并使用司南。

从天然磁石制作司南到以磁化方法制作指南针，在科学方法和科学认识上都是一个巨大进步。唐代大概是由司南向指南针过渡的孕育阶段。宋代以后不仅制造了各种指南针，而且分别发现了地磁场和磁铁磁化铁针、铁片的方法，也有直接以磁铁制作指南鱼、指南龟的方法。将磁针与刻度盘相结合，使之成为一种辨识方向的仪器，称为罗盘；刻度盘起源于战国至秦汉，一种带刻度的拭盘为占卜者所备有。罗盘只有在磁针诞生之后才有可能问世。指南针诞生之后，只要将其置于地盘中央，罗盘就随即问世；罗盘在中国至晚产生于12世纪下半叶。早期人们称罗盘为“地螺”。其中的“地”也是地盘之意；“螺”，原是软体动物，或假其硬壳上旋纹以示磁针之旋动。又借地盘之N方位，罗盘有分度列向、以正南北之功用，故云“经”。因此称它为地罗经或罗经盘，简称罗盘。罗盘发明之后，先被用于堪舆：相墓、相宅、看风水。到南宋年间，罗盘又分为旱罗盘和水罗盘。入明之后，罗盘得到更大发展。漆木制罗盘、铜制罗盘，旱盘、水盘、堪舆用与航海用罗盘，已在许多地方形成作坊以专门生产。中国人最早创制并使用磁针和罗盘，并由阿拉伯人将指南针、罗盘的知识从中国传播到欧洲的。三、地磁偏角的发现

在指南针问世之后，人们不可避免会遇到地磁偏角的问题。最早记载地磁偏角的见于杨维德的《茔原总录中》，他认为指南针在罗盘上“取丙子壬午之间是天地中”，得到了“约而取于大概”的地理南北方向。沈括在《梦溪笔谈》中也记述了地磁偏角“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。他指出，指南针的指向是地理南向而略微偏东一些，但关于地磁偏角的成因，在1600年以前，即使西方的科学家也不了解，因此，沈括直率的承认“莫可原其理”。但也有一些学者，从当时的科学水平试图来解释它，南宋时，曾三异关于地磁偏角的著作《因话录》写道“地螺或子午正针，或用子午丙壬间缝针。天地南北之正，当用子午。或谓江南地偏，难用子午之正，故以丙壬参之，古者测日影于洛阳，以其天地之正中也，然有于其外县阳城之地，地少偏，则难正用，亦自有理。”这是对地磁偏角的首次解释，它的解释在今天看来不正确，但在当时是颇具说服力的自然道理。在欧洲，直到1442年意大利人哥伦布在横渡大西洋的航行中才观测到地磁偏角的现象。比中国古代晚了400多年。中国古代许多学者曾测得过许多地方的地磁偏角。“正方案”是元代郭守敬创制的一种测定方向的仪器。该仪器为一平板，其中心放置竿，利用影测定南北方向。以竿所在中心为圆心，在平板上画有若干同心圆。各个同心圆可按需要刻上刻度，利用此正方案测定南北方向之后，放置指南针在它上面，指针方向与南北方向的夹角就是地磁偏角。古代记载的大量的关于地磁偏角的数据为后人研究偏角的变化提供了宝贵的材料。

四、极光——对地磁场的研究

古人对电磁现象的发现，有一项迄今还有实用价值，那就是对极光的观测与记录。极光是地球极区周围高空大气中经常出现的瑰丽发光现象。它奇景叠出，光彩夺目，多彩的流光或折叠的光线组成一种自然的景观。这种壮丽的自然景象，自古以来就引起人们的注意，古人不解极光之谜，曾把它誉为吉星高照或暗示大祸临头，中国古代《汉书》中有“天上出美光，天下有美女”的记载。中世纪时期的欧洲，人们总把它和战斗流血联系在一起。在明清以后,我国各地的地方志中，也收集了大量的激光资料。古代中国有极为丰富的极光记录，其延续时间之长也是世界上所罕见。我们知道，太阳不断向外发出高速带电粒子，这些粒子接近地球时，受地磁场作用而折向南北两极，与高层空气分子或原子相碰撞，使之处于激发态而发光，这就是极光。古人不知道这套理论，但他们观察到了极光并将其记录了下来。古书《竹书纪年》就记录了大约公元前950年的一次极光：“周昭王末年，夜清，五色光贯紫微。”这一记载涉及到该次极光的时刻、方位和光色，是比较详实的。据统计，在1750年之前中国有极光记录288次。在10世纪前，我国有年、月、日的极光记录有百余次之多。考虑到极光一般出现于高纬度地区，在中低纬度地区只是偶尔才能见到，这样的数字是不简单的，它表明了古人观察和记载的认真程度。同时期欧洲各国记录总共只有三十余次。东西方人同时观赏到相同的天空事件并为此惊喜，这样的事情在古代和中古时代确实是罕见的事。大概只有大范围和较长时间的极光现象才会引起彼此遥远的他们共同惊喜，另人惊讶的事，历史上确有几次这样的记载。如937年2月14日的极光记录，《五代史记》中写道：“后晋高祖天福二年正月乙卯，是夜，有赤白气相间，如恳耕竹林之状，自亥至丑，生浊，过中天，明灭不定，遍二十八宿，彻曙方消。”欧洲高卢人于937年2月14日夜也观测到极光，其记录为：“从鸡晓到破晓，满天出现了血染的枪矛。在高卢人境内，响声持续不断，天亮前整个天空出现了血染的亮光。”比较两者记录，它们有相似之处。这确实是个奇迹。近年来人类致力于研究极光现象的产生和变化规律，这对空间科学、能源科学都有极其重要的战略意义。我国古代的这些宝贵记录，为研究太阳活动和地磁变化等，提供了十分有价值的历史资料。我国古代的磁学知识是古代物理学中灿烂辉煌的一章。在磁学方面的巨大成就说明了我国古代磁的认识是与实际应用结合的，而且此外还比较注重实验，善于分析，敢于创新。古代科学家的钻研精神和科学态度在今天也是值得我们学习和借鉴的。

转自：青岛市初中物理微教研

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