四大发明[sì dà fā míng]

中国古代四大发明是指中国古代创新的智慧成果和科学技术，包括造纸术、指南针、火药、印刷术。

四大发明是中国古代创新的智慧成果和科学技术，包括造纸术、指南针、火药、印刷术。四大发明的说法，源自英国汉学家李约瑟。四种发明对中国古代的政治、经济、文化的发展产生了巨大的推动作用，经各种途径传至西方，对世界文明发展史产生巨大的影响力。

中文名：四大发明

外文名：Four Great Inventions

内容：造纸术、指南针、火药、印刷术

影响：间接加剧全球化

提出者：李约瑟

造纸术

造纸术，是中国四大发明之一，发明于西汉时期、改进于东汉时期。中国是世界上最早养蚕织丝的国家，中国古代劳动人民以上等蚕茧抽

指南针[zhǐ nán zhēn]

中国古代四大发明之一

指南针，古代叫司南，主要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上，磁针的南极指向地理南极(磁场北极)，利用这一性能可以辨别方向。

常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。物理上指示方向的指南针的发明有三类部件，分别是司南、罗盘和磁针，均属于中国的发明。据《古矿录》记载最早出现于战国时期的磁山一带。

指南针是中国古代劳动人民在长期的实践中对磁石磁性认识的结果。作为中国古代四大发明之一，它的发明对人类的科学技术和文明的发展，起了无可估量的作用。在中国古代，指南针起先应用于祭祀、礼仪、军事和占卜与看风水时确定方位。

中文名：指南针

外文名：compass

作用：辨别方向和方位

发明成果一：司南

发明成果二：罗盘

造纸术

造纸术，是中国四大发明之一，发明于西汉时期、改进于东汉时期。中国是世界上最早养蚕织丝的国家，中国古代劳动人民以上等蚕茧抽

指南针

指南针，古代叫司南，主要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上，

火药

火药，顾名思义，可由火花、火焰等引起剧烈燃烧的药剂。据《范子计然》的记载，春秋时代中国就已经用于民间民生应用，范子计然说

产生背景

地球是一个大磁体。地球的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。地球表面的磁体，当可以自由转动时，就会因磁体同性相斥、异性相吸的性质指示南北——这个道理，古人不够明白；但这类现象，古人已经发现。

磁现象的发现

先秦时代的中国劳动人民已经积累了对磁现象的认识，在探寻铁矿的时候，常常遇到磁铁矿，即磁石（主要成分是四氧化三铁——化学式Fe3O4，别名氧化铁黑、磁铁、吸铁石，为具有磁性的黑色晶体，故又称为磁性氧化铁）。《管子》的数篇中早已记载了这些发现：“山上又磁石者，其下有金铜。”《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早被人发现，《吕氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。”古人称“磁”为“慈”。古人把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为：“石是铁的母亲，但石有慈和不慈两种，慈爱的石头能吸引他的子女，不慈的石头就不能吸引了。”汉以前古人把磁石写成“慈石”，是慈爱石头的表达。到了西汉，有一个名叫栾大的方士，他利用磁石的特性做了两个像棋子的东西，通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝，并当场演示。汉武帝惊奇不已，龙心大悦，竟封栾大为“五利将军”。

李约瑟的观点，他在《中国对航海罗盘研制的贡献》一文，有明确的阐述。他从《古今注》、《管氏地理指蒙》、《九天玄女青囊海角经》等书的记载中推测出如下结论：“磁石指向性转移到它吸过的铁块的发现在中国大约在一世纪到六世纪。在十一世纪以前的某个时期就已发现，不仅可以用铁块在磁石上磨擦产生磁化现象；而且还可以用烧红的铁片，经过居里点(CuriePoint)，冷却或淬火而得到磁化，操作时，铁片保持南北方向。

发明历史

战国时期

据《古矿录》记载最早出现于战国时期的磁山一带。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。

据1982年3月，《光明日报》报道：磁山（在今河北省邯郸市武安）是我国四大发明之一指南针的发源地。据《古矿录》记载：《明史地理志》称：“磁州武安县西南有磁山，产磁铁石。”又《明一统治》称：“磁州武安县西南有磁山，产磁铁石。”又《古矿录》记载：《明一统治》称：磁山，在县西南30里，土产矿石，州名取此。磁山，指南针的故乡。

典籍记载有关指南针的事情和典籍作者，全都在古代邯郸为中心的燕赵文化区域内；在可考典籍范围内记载的中国古代指南针，全都是用天然磁石磨制而成；且根据先秦典籍记载，产天然磁石的只有武安磁山（今河北省邯郸市武安）。在春秋战国时期有可能制造司南的地方，只能在以邯郸为中心的燕赵文化区域内，武安极有可能就是指南针的故乡。

观点之一

王振铎的相关观点，指南针的发明至早不逾于宋代，此种观点在其一系列的研究成果都有所体现。如在《司南、指南针与罗经盘(上)》一文中所述：“自周末至李唐，古人所称述之‘司南’或称‘指南’为一种辨别方向之仪器，其物便于携带及测验，宛如指南针之用矣。王振铎认为在唐朝已经出现了便于携带的类指南针仪器，但绝不是指南针。王振铎把此种物件看作是指南针的过渡形式。王振铎未明确论断指南针发明的具体时问，由于缺乏材料，出于科学严谨性方面考虑，所以未轻易论断。他在《司南、指南针与罗经盘(中)》中说：“(指南)鱼法固早于(指南)针法约半个世纪，然此二者先后相互之关系，仍有待史证之发现而说明也。”正是在此情况下说的。另外，在同一篇论文中又说：“中国古代，藉缝纫之钢针，经人工传磁，而成人造磁体之指南针，其史证之发现，至今尚未见有早于十一世纪以前者。”这是以北宋时沈括《梦溪笔谈·杂志一》与《梦溪笔谈补》为根据而加以论断的。这两篇文章中记载了此种人工传磁而成人造磁体的指南针。另外王振铎在此篇文章中批判了英人维烈亚力(Alexanderwylie)所著《中国研究》中所指的唐朝僧一行已经注意到了磁针所指方向与北极之差的错误理解。最后郑重地提出论断：“按中国磁针偏向之记载，尚未发现史证有早逾《梦溪笔谈》者，存中记其‘微偏东’，寇宗爽记谓‘偏东’，即指磁针之偏角而言。”这便是王振铎由于材料所谓限制而不能对中国磁偏角的发现时间有一个确切的认识。关于指南针的发明时代，王振铎只是给出了一个大致的推测，在《司南、指南针与罗经盘(中)》中，王振铎说：“指南针之发明时代，以《萍洲可谈》海舶用磁针及沈括谓方家制磁针，信其创始必早。”指南针的发明应当是一个很漫长的时间中，慢慢地改进的结果，而不同时期的形式，也应以不同的形式出现，王先生也只能给出一个时间区间。

观点之二

李约瑟的观点，顺序的磁偏角，先向东后偏西，体现在中国堪舆罗盘的设计的同心圆，这些同心圆一直存留至当代。毋庸置疑，磁罗盘在中国用于堪舆目的很久以后，才被用于航海。但是航海罗盘确是中国人的发明，它可能发生在十一世纪以前的某个时期或更早的时期。”李约瑟在此段中对指南针，磁偏角、罗盘等问题论述的清楚，虽然有些论断过于武断，但是对中国指南针的发明问题，做出了一个总结性的论断。

潘吉星先生在王振铎先生与李约瑟先生研究的基础之上加以总结，但可以明显看出他比较同意李先生的观点，对于李约瑟先生所提到的几个材料在《中国古代四大发明——源流外传及世界影响》一书作了详细地论述与阐述。但同时也和李约瑟先生一样，在有些问题上过于武断，明显的证据不足，让人难以信服。

如他在书中所述：“但从司南仪到指南针中间经历了几个技术过渡，这些过渡发生在魏晋南北朝至唐代。”他这种论断性的结论没有太多的材料支持。但此结论在大体上是没有错的。潘吉星先生和李约瑟先生一样把崔豹《古今注》中的“蝌蚪，虾蟆，(青蛙)子也，一名悬针，一名玄鱼。”作为“从勺到针”的过渡来看。他说：“将在空中的磁针与方位盘配合，在晋南北朝曾经用过，确能指南，从而实现了李约瑟先生说的from the spoon to the needle(从勺到针)的过渡。”潘吉星先生在同一本书中也对水罗盘的出现时问做出了论断。他说：“有证据显示，9世纪唐代堪舆罗盘制造者已经做出了这决定性的一步。”在同一页中，他再一次强调说：“晋南北朝开始对司南作技术改进，而在唐代后期完成从司南向罗盘的转变，北宋人享受这些技术成果并使之发扬，历史的发展脉络应是如此。”进一步对指南针的发展脉络做出了阐述。潘吉星在李约瑟先生研究的基础之上，吸收了王振铎先生的部分观点，对指南针的发明时间与过程重新作了一个界定，虽然依然有部分不妥之处，但总体来说，是科技史上的一个进步。丽另外一些学者，或是没有新材料而做出惊人的论断，或是材料不足，仅凭某一材料片段做出新的论断，但总体来说均未能让众人信服，影响亦不是很大。”而把指南针起源论断于唐代。姑且不论此论断的正确与否，单依此材料根本不能得出此种论断。

观点之三

在成都民间收藏家的藏品中，发现了一件极具学术研究价值的玉(石)器，它是由七块玉(石)板拼接而成，正面是图形，反面是古文字，特别是在第4块玉(石)板上的中间，有一个圆形图案，其上放置了一个类似半个“地球”的东西。在这个“地球”的顶部(北极)有一个直径4cm的小洞，其中插有一支玉(石)的指南针，在圆形图案上还有“东”、“南”、“西”、“北”四个古文字。依据现有学科专业知识分析，这四个古文字与我们今天在进行地质填图时所使用的罗盘上的“东”、“南”、“西”、“北”的方位字一样，除东字外，其余“南”、“西”、“北”三个字均与甲骨文不同。在三星堆玉(石)器上发现指南针很重要，那种认为指南针最早出现在春秋战国时代的观点由此会被彻底推翻，文献中曾提及的黄帝发明指南车一事，但至今只是推测，未见考古实物，而三星堆地区玉(石)器上指南针的发现把中国指南针的发现史推到了伏羲时代。三星堆发现的指南针是玉(石)的，不会转动，是象征性的。

早期形制

在中国的方位文化中经历了从天文学方法定位再以磁学方法制成司南，最后由司南演变成指南针的三个阶段，随之而来的是测定方位技术的不断完善。

司南

司南是最早的磁性指向器。“司南”之称，始于战国（公元前475年—公元前221年），终止于唐代（公元618年—公元907年）。因为司南古义不断演化，使它与一系列的古代发明结下了不解之缘。

记载司南的最早的文献是《鬼谷子》，其中写道：“郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也。”(谋篇)从《鬼谷子》中的记载可以看出，郑人去“取玉”，必须要带上司南，就是为了避免方向的迷失。

在提到司南的文献中，王充的记述是最重要的，他明确指出：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”(是应篇)其中的“杓”是指勺子。具备这种“指南”性能的司南，应是磁性指向器。但是，这里的“地”是指古代械盘中的“地盘”。械盘是秦汉时期发明的，用于游戏或占卜。在“地盘”的四周刻有24个方位，中心刻有象征北斗七星的标志。中国现代著名的科技史家和文物复制专家王振铎曾依据这些记载成功地复原了汉代的司南(如图1所示)。

图1司南模型(王振铎复原)勺形司南尚无实物出土，但汉代画像石上，有类似勺形司南形象的画面(如图2所示)，这表明王充的记载应该是可信的。在这幅石像中，可看到，画面主体是魔术师和杂技演员在表演，上面一行人是贵族观众，右上角的小方台上放着一个疑似司南的长柄匙(见画面外小插图)，一个人在跪着观察它。

图2 藏于苏黎世里特堡博物馆的汉代石浮雕

图2藏于苏黎世里特堡博物馆的汉代石浮雕(本图引自李约瑟《中国科学技术史·物理学卷》)从所留下的材料看，利用磁石指极性的司南就是磁性指向器具有的最早的形制。

磁体定向装置的出现，就使人从靠观察天体定向的被动性转向靠地磁定向的主动性。人类最早的磁体定向装置，是以天然条状磁石制成的司南，它出现后在中国战国末期(前三世纪)而在汉代得到进一步的发展。司南仪的出现具有重要历史意义，因为它是以与天文定向原理截然不同的磁学原理制成的新型导向装置，在任何天气条件下都能昼夜工作，迅速指出方向，操作简便易于携带。

最初，“司南”指测影的表杆。如《韩非子·有度篇》说，“故先王立司南，以端朝夕。”“端朝夕”即正东西，引申为确定东西南北方向。“立司南”来源于殷商甲骨文中的“立中”和战国时的“立朝夕”，它们的意思都是立表以测日影。

磁勺

磁勺是一种天然磁石琢成的勺形指向器，当它被发现的时候，其状取法北斗七星，名称则沿用“司南”。古文“司南”可以推定为磁勺的至少有《鬼谷子》、《论衡》、《玄览赋》、《飘赋》四项记载。《宋书·礼志》引《鬼谷子》曰：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也。”《鬼谷子·谋篇》至迟成书于西汉，或许是先秦之书，其中关于“郑人取玉，必载司南”的传说，暗示了磁勺与玉器业的联系，甚难加工的磁勺应是玉工高手的杰作。

东汉王充的的《论衡·是应篇》说：“司南之勺，投之于地，其柢指南。”句中的“地”一般解释为“地盘”，也可能是“池”字误写。这句话应释为：勺状的司南，放在“地盘”上（或投入盛有适量液体（如水银）的容器中），它的勺柄必然自动指向南方。

此后，梁元帝萧绎的《玄览赋》说：“见灵乌之占巽，观司南之候离。”唐韦肇的《飘赋》说：“挹酒浆，则仰惟北（北斗）而有别；充玩好，则校司南以为可。”再次介绍了司南（磁勺）的功用和形状。

磁勺的实物虽然迄今尚未发现，但与此有关的文物至少有两件。一是瑞士苏黎世的Rietberg博物馆中所藏的一块公元114年的东汉画像石，其右上角有一人正在观测一件可能是“司南之勺”的东西。二是那志良《玉器通释》上册著录的一件“司南佩”古玉器，此玉“长不过寸许，一端琢成一个小勺，一端琢成一个圆形的小盘，中间有一个横穿。”“司南佩”的制作年代不明，推测为唐代之物。

除了上述的表杆和磁勺之外，司南又是指南车、指南舟和报时刻漏的代称。晋人葛洪所作的《西京杂记》中提到的“司南车”即半自动机械装置指南车。《宋书·礼志》记载：“晋代又有指南舟。”南朝任昉的《奉和登景阳山》诗吟道：“奔鲸吐华浪，司南动轻枻。”诗中的司南即指皇家园池中的指南舟，可是，“指南舟”究竟怎样导航，至今依然是一个迷。唐代大诗人杜甫的咏《鸡》诗云：“气交亭育际，巫峡漏司南。”意谓夜半零时正，诗人恰闻司南的报时之声。

磁针的发明

指南针的发明应当是在一个很漫长的时间中，慢慢地改进的结果，而不同时期的形式，应以不同的形式出现。唐代堪舆家的活动相当活跃，并开始强调方向的选择，寻找比磁勺更方便的指向器成了当务之急。于是指南铁鱼或者蝌蚪形铁质指向器及水浮磁针应运而生。

活动于唐开元年间（713—741年）的山西堪舆家丘延瀚，被后世堪舆家推崇为堪舆术三针（正针、缝针和中针）中最早出现的正针法的创始人。明代雅好科技的宁献王朱权则在其《神机秘籍》中说：“针法古无所传，自昔玄真始制。”玄真即唐代浙江金华道家张志和（约730—约810年），他的道号叫玄真子，所著《玄真子》十二卷，残存三卷。从这残卷中知道他颇好物理，但未找到与指南针或针法直接有关的记载。然而，这个道号不禁使人联想到旧题晋崔豹所作的《古今注》中把蝌蚪称为“玄针”。其文曰：“虾蟇子，曰蝌蚪，一曰玄针，一曰玄鱼，形圆而尾大，尾脱即脚生。”十世纪时马缟的《中华古今注》中也有类似的记载。这项记载似乎把磁针与指南鱼的发明和应用从形状和性能上联系到了一起。

关于指南鱼的制备方法，见于北宋曾公亮等利用前人资料编撰的《武经总要》。《武经总要》前集卷十五载其法曰：“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。”这种方法利用地磁场使铁片磁化，并知道鱼形铁片微向下倾斜对磁化有利，实际上已发现近代科学中所谓的磁倾角的影响。使用时，指南鱼浮于水面，与水浮磁针的原理是一致的。

水浮磁针的制作方法首见于北宋沈括的《梦溪笔谈》卷二十四，其文曰：“方家以磁石摩针锋，则能指南。”这种方家在实践中总结出来的钢针磁化法，经过沈括之手公布于世，有力地促进了磁针在堪舆和航海两大领域中的应用和普及。指南针进入到实用磁针的阶段，对装置方法的研究提到了议事日程。沈括全面研究和比较了“水浮”法、置“指爪”法、置“碗唇”法及“缕悬”法的优缺点，认为“缕悬”法最佳。“其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。”现代磁强计中悬挂的小磁铁，就采用了此相似的方法。磁针指的精度，与司南及指南鱼不可同日而语，故磁针的发明，很快导致了磁偏角的发现。

五代乱世的《管氏地理指蒙·释中第八》曰：磁针“体轻而径所指必端应一气之所召，土曷中而方曷偏，较轩辕之纪，尚在星虚丁癸之躔”。轩辕黄帝时代的磁偏角，作者以为尚在“星（午）虚（子）丁癸”方向，而当时“针指坎离定阴阳之分野，格偏壬丙探僭越之津涯”。偏角变为南偏东15°。

由于堪舆术的神秘性，中国唐宋堪舆著作在流传中又相互影响，有所增删，要从众多早期堪舆著作中理出磁针、磁偏角以至罗盘的发明、发现年代，诚非易事，然而，北宋司天监杨惟德于庆历元年（1041年）奉命编撰的相墓大全《茔原总录》卷一位磁偏角的发现订定了下限。书中说：“客主的取，宜匡四正以无差，当取丙午针，于其正处，中而格之，取方直之正也。”这里明确地记载了“丙午针”，即后世沈括在《梦溪笔谈》卷二十四中所说的磁针“常微偏东，不全南也”。在西方，直到13世纪才知道磁针偏南。1429年哥伦布（ChristopherColumbus，1451—1506年）横渡大西洋时，正式测到磁偏角现象。

中国发现了元代水浮法指南针瓷碗。1959年，在辽宁旅顺甘井子元代墓葬中出土了两件磁州窑白釉褐花大碗，大碗内底部彩绘两个同心圆，圆内绘并排的三点，中间一线相连。乍看此图形似一个不规则的“王”字，故被称为“王字纹碗”。碗外底圈足内又墨书一个“针”字。经科技史学家王振铎先生研究证实，这种碗就是航海时指示方向所用的针碗。它的使用方法是这样的：针碗的水面上漂着穿在浮漂上的磁针，碗内底的“王”字形标志则有助于标明方向。先将“王”字中的细道与船身中心线对直，如船身转向，磁针便和该细线形成夹角，从而显示航向转移的角度。类似的碗在江苏丹徒照临村元代窖藏和河北省磁县漳河故道元代沉船内都有发现。

罗盘的发明与西传

磁针问世后，先后用于堪舆和航海。为了使用方便，读数容易，加上磁偏角的发现，对指南针的使用技巧提出了更高的要求，方家首先将磁针与分度盘相配合，创制了新一代指南针——罗盘。不过有些场合，碗中的水浮磁针仍在使用，故沈括《梦溪笔谈》卷二十四称“水浮多荡摇”。江苏、河北和辽宁旅大曾出土元代的不带刻度的指南针专用针碗。当航船还在使用浮针加针碗时，堪舆罗盘却远远地跑到了前面。

考古资料表明，堪舆家选择墓穴采用二十四向表示法大约始于唐末。南唐何溥主持建徽城，看风水时也用二十四向表示法。何溥所撰的《灵城精义》“理气章正诀”中说，“地以八方正位，定坤道与舆图，故以正子午为地盘，居内以应地之实。”天以十二分野，正躔度之次舍，故以壬子丙午为天盘，居外以应天之虚。”作者、时代不明的《九天玄女青囊海角经》“理气篇”中有一段几乎相同的文字，两者应同出一源。

罗盘古称“地螺”、“地罗”。南宋曾三聘的《因话录》（作于公元1200年前后）“子午针”条说：“地螺，或有子午正针，或用子壬丙午间缝针。”曾三聘是江西临江俯峡江（今江西西清江）人。离峡江不远的江西临川，于1985年出土了世界上最早的堪舆旱罗盘模型，正可与《因话录》的记载相互印证。1985年5月，江西临川南宋朱济南墓（葬于1198年）出土了座底墨书“张仙人”的瓷佣一式两件。风水先生“张仙人”佣[7]，左手抱一罗盘。值得注意的是，该罗盘的磁针与水罗盘的磁针根本不同，中部增大呈菱形，菱形中央有一明显圆孔，明确现象地表示这是一种用轴支承的旱罗盘。

中国的磁针和罗盘先后经由陆水两路西传，曾给人类的文明的进程带来重大的影响。以前史学界认为磁针在水中的水罗盘与指南针一脉相承，是中国的发明，但旱罗盘是欧洲所发明，16世纪才经由日本船传入中国。而今临川罗盘证明：旱罗盘的发明权也属于中国。

最初形制

磁石指极性与磁性指向器的最初形制

对于磁石吸铁性的认识和应用，传说，秦皇宫的磁石门可防止身带铁刃的刺客进入。文献中对磁石吸铁现象多有记述，如战国时期成书的《吕氏春秋》、西汉时期成书的《淮南子》和东汉王充的《论衡》，这些作者都提到磁石吸铁现象，玳瑁和琥珀等物体能吸引某些轻小物体的现象。王充指出，这些现象是“感应”(一种超距作用的看法)的作用，但似乎并不知道电感应和磁感应的区别。指南针是用天然磁石制成的，要发明指南针，就要研究磁石的指极性。

磁化技术和磁偏现象的记述

北宋时磁化技术取得了突破，这些技术加速了磁性指向器的普及，并且导致指向器形制新的演变。

曾公亮的《武经总要》中提到一种新型的磁性指向器——“指南鱼”，同时还能看到，制作指南鱼的关键是铁的磁化。曾公亮的记述是：以薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止。(卷15)曾公亮实际上是利用地磁场对剪成鱼形的铁片进行磁化，这是历史上人类寻求新的磁化技术上的一个突破。但是，由于使用时要放在水面，铁片要尽量“薄”。这也是重要的提示。

指南鱼的磁性是很弱的，作为一种“天然的”缺陷，圆形的鱼首也使它的指向精度受到限制。虽然这种简易的磁化技术使指南鱼的制作容易了许多，但它的形状造成与勺形司南有类似的缺陷。

同样，具有实用性的磁化技术，与曾公亮同时代的沈括在《梦溪笔谈》中也有记载。他写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”(卷24)这种形制易流行、且简单，磁化效果也相当好，特别是，它对指向器形制的改进产生了另一个突破——针状。用针指向，它的指向精度可以得到极大的提高。这样，司南就衍变成了指南针，而且这种指南针也更容易普及了。无疑，这是磁性指向器形制的最重要的改进。

由于指针指向精度得以提高，人们在使用指南针时很快就注意到，它所指的方向有时并非正南，这就是磁偏现象——“然常微偏东，不全南也”。

实际上，在写于庆历元年(1041)的《茔原总录》中，比沈括稍早些的杨维德已经记载了指南针和磁偏角的存在．他写道：“匡四正以无差，当取丙午针。于其正处，中而格之，取方直之正也。”(卷1)这里说的“针”就是磁针，而“丙午针”是指磁针在静止时，针指的方位是24个方位中丙位和午位的结合部，也就是南偏东约7。5°。这与沈括的“微偏东”是一致的，但杨维德的说法更早，描述也更精确些。

稍晚于沈括的寇宗夷在所著的《本草衍义》也提到：“磁石⋯⋯磨针锋则能指南，然常偏东，不全南也。其法取新纩中独缕，以半芥子许蜡缀于针腰，无风处垂之，则针常指南。然常偏丙位。盖丙为大火，庚辛金受其制，故如是，物理相感尔。”(卷5)这段话讲到指南针的磁化，讲到磁偏现象的发现，还讲到指南针的架设问题，以及利用五行学说简要地解释磁针指向的原因。在这里，寇宗夷所使用的是“水浮法”，这与沈括是有些不同的。这也说明，在这时人们还在探索形制，一直在进行着不同的尝试。早在晚唐时期成书的《管氏地理指蒙》，在这篇文献中我们可以读到：磁者母之道，针者铁之戕。母子之性，以是感，以是通；受戕之性，以是复，以是完。体轻而径，所指必端。应一气之所召⋯⋯。透过这段话，可以看到，它记述的磁偏角约为南偏东15°左右。这说明，关于地磁偏现象的发现可能早于宋代。在另一篇早期文献中提到地磁偏的是《九天玄女青囊海角经》，这部书的成书时间约在10世纪下半叶。

与沈括大致同时代的王假(福建堪舆学派的创立者)也提到过磁偏角。在王仅的一首诗中，他写道：“虚危之间针路明，南三张度上三乘”。这里的前一句所提到的显然是天体坐标的南北向，但通过观察地磁罗盘会发现，南方星宿“张”的范围是如此之广，以至于两个磁偏角及天体坐标的正南这3个“南方”方位均包含在其内。所以，他对磁偏角的涉及，具体数值还不能完全确定，但它的地磁偏现象的记载，说明了风水师是重视地磁偏现象的研究的。王仅是一位著名的堪舆家，他的主要著作写于1030—1050年间。

宋代曾三异在1189年写的《因话录》提到，在地球表面上一定有某个区域，在那里磁偏角为零。曾三异的观点很有见地，事实上也确实存在着零磁偏角线。即使如此，他也只是提出了一种有价值的猜测。16世纪，明代人迸一步发现了在不同的地点磁偏角的大小也不同的结论；18世纪，才出现关于磁偏角的大小也随时间的变化而变化的明确记载。

指南针架设方法与罗盘

指南针如何架设起来，沈括比较了4种不同的架设方法：

水浮多荡摇。指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。这就是有名的沈括“四法”。沈括对前3种方法采取否定的态度，尽管“水浮法”是曾公亮已经有过尝试的方法．在《武经总要》中记载的使用方法是将指南鱼“平放水面令浮”，为此鱼形的铁叶可能是中间微凹的，这样的结构使铁鱼像小船一样漂浮在水面上。宗夷也提出了架设的方法，他指出：“以针横贯灯心，浮水上，亦指南。”

沈括尝试的四种安装指南针的方法

南宋时，指南针的架设问题有了新的进展。南宋陈元靓在《事林广记》(成书于1100—1250年间)中记述了两种指南针，即指南鱼和指南龟。它们可看作“水针(水罗盘)”和“旱针(旱罗盘)”的先驱。水罗盘(也叫浮针罗盘)是从《武经总要》的指南鱼到《事林广记》的指南鱼发展过来的，由于后者是木刻的，自然可浮在水面，似乎也不怕水面荡摇，它已发展成为一种比较成熟的结构。此后，水针一直比较流行，加上进一步的改进，将磁针穿上小木条，取代了木头刻的鱼，使之更实用了。自然，“指南鱼”这种形制也就消失了。《事林广记》记载的“指南龟”，则是后世旱罗盘的先驱。它因为采用了竹钉支承，摩擦力小，旋转灵活，因而也受到人们欢迎。后来人们将其发展成了枢轴支承式，这种形制就成了使用简便的旱罗盘。1985年5月，在江西临川县温泉乡朱济南墓中出土了一件题名“张仙人”的俑，高22。2em，手捧罗盘。此罗盘样的磁装置结构与宋代水浮针不同，其菱形针的中央有一明显的圆孔，说明它采用的是枢轴支承的架构。这座墓下葬的时间为南宋庆元四年(1198)。可见在旱罗盘问世不久，中国人已经将其发展成枢轴支承式的了。

结语

旱罗盘后来经阿拉伯传人欧洲，在欧洲发展成熟起来。欧洲人又进一步对这种旱罗盘做了改进，使用起来很是方便。这种改进虽然对磁的知识并未增加，甚至也未“改善”，但是却对航海事业产生了积极影响。也就是说，在发展航海事业的过程中，使磁技术的价值彰显出来。从磁的吸铁性和指极性知识看，在磁技术的发展早期，磁技术对生产发展和航海、堪舆的活动是有价值的，而磁技术的改善就是围绕着这种需求发展的。在磁技术发展的同时，人们也积累起些许磁学知识。这个积累过程是缓慢的，这当然是由于貌似简单的磁知识，它联系着对地(球)磁场的认识。这使问题具有了某种复杂性，而破解这种复杂性还需要时间，需要某种天才；同时也期待着高水平的精准实验用。

在这些精准的实验中，磁化技术中的两种方法是很重要的。在这些磁化技术的发展中，古人所依据的科学原理，要么是不知道，要么是不符合现代的科学原理。所以，古人是黑暗中摸索着前进的，是在对经验中的领悟中发展着的。在这些发明中，指南“针”形状发明提高了指向的精度，也使磁偏角得以发现．针的形制无疑是具有重要意义的，推进了对磁的认识，有益于磁知识的积累。大体上说，磁性指向器的演变过程中，形制的不断改进是很重要的，就像汽车发明后，汽车的样子也不断发生变化，甚至是很大的变化，但这也是逐步演变的。磁性指向器的交流中，也包含着磁知识的交流，这种交流促进着“磁学”知识的积累和发展。这直到近代才结出果实。

罗盘西传

中国的磁针和罗盘先后经由陆水两路西传，曾给人类文明的进程带来重大的影响。史学界认为磁针浮在水中的水罗盘与指南针一脉相承，是中国的发明。1985年江西临川南宋朱济南墓出土的“张仙人”俑手持的旱罗盘证明：旱罗盘的发明权也属于中国。

现代指南针

现代人制作了各种电子指南针，智能手机普遍有这个软件，电子罗盘也叫数字罗盘，是利用地磁场来定北极的一种方法，应用到手机上，其实就是电子指南针，电子罗盘一般用磁阻传感器和磁通门加工而成。

虽然GPS在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低，甚至不能使用。尤其在高楼林立城区和植被茂密的林区，GPS信号的有效性仅为60%，并且在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。为弥补这一不足，可以采用组合导航定向的方法。电子罗盘正是为满足用户的此类需求而设计的。它可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”。

电子罗盘

电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用时要求很高，但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话，平面罗盘是一种性价比很好的选择。三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

电子罗盘原理

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。

磁偏角

地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角，即为磁偏角。磁偏角在同一地点也不是定值，每天早晚测定的磁偏角也有微小的差异，磁偏角具有长期变化和周日变化的特性。气象条件对磁偏角的影响也很大，尤其在雷电天气下是不能观测的。磁偏角受地磁环境影响比较显著，由于地磁的特性，磁子午线情况比较复杂，且互相不平行，直线愈长，误差越大。

指南词义

“指南”的词义有指导或准则之意，而“指南”来源于“司南”，两者仅一音之转。在汉至唐的文献中，读者可读到诸如“事之司南”、“文之司南”以及人之司南等词语。唐代以后，在社会科学中，“司南”一词完全为“指南”所取代。唐代以后，“司南”（磁勺）奇迹般地销声匿迹，因是磁针已经问世。

磁子午线

磁子午线随一年四季的变化而变化。其一，在春分，秋分这天，磁子午线与子午线，以及地球的经线三线重合，指南针直指地球的南北方向极点，误差只有0.08°地轴偏心率，可以忽略不计。其二，在夏至，冬至这天，磁子午线和子午线是不重合的并且偏磁角最大，最大偏差量为正负23.26°，也就是说在地球南北极附近偏磁点最大，用地球的周长除以365°角在正负23°，等于偏磁极点对应南北极点的距离(正负弧度公里)。

社会反应

指南针打开了世界市场

指南针在航海上的应用对地理大发现和海上贸易有极大的促进作用。指南针的发明源于中国古人如何定向问题的研究，也表明古人对如何定向问题的重视，为此，指南针被誉为中国古代四大发明之一。古代中国人将指南针用于军事和航海的活动，也被用于堪舆术，后来还辗转传入欧洲，在欧洲的航海活动和地理大发现中，发挥了不可替代的重要作用。在航海技术发明中，指南针也是最重要的单项发明。

指南针的发明者是谁至今依然没有定论。根据权威史料记载：黄帝与蚩尤战于涿鹿之野。蚩尤作大雾，兵士皆迷。于是作指南车以示四方，遂擒蚩尤而即帝位。因此指南针传统上被认定为是黄帝发明的。

拓展

指南针，古代叫司南，主要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上，磁针的北极指向地理的南极，利用这一性能可以辨别方向。

常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。物理上指示方向的指南针的发明有三类部件，分别是司南、罗盘和磁针，均属于中国的发明。 据《古矿录》记载最早出现于战国时期的磁山一带。

指南针是中国古代劳动人民在长期的实践中对磁石磁性认识的结果。作为中国古代四大发明之一，它的发明对人类的科学技术和文明的发展，起了无可估量的作用。在中国古代，指南针起先应用于祭祀、礼仪、军事和占卜与看风水时确定方位。

在中国的方位文化中经历了从天文学方法定位再以磁学方法制成司南，最后由司南演变成指南针的三个阶段，随之而来的是测定方位技术的不断完善。

司南是最早的磁性指向器。“司南”之称，始于战国（公元前475年—公元前221年），终止于唐代（公元618年—公元907年）。因为司南古义不断演化，使它与一系列的古代发明结下了不解之缘。

记载司南的最早的文献是《鬼谷子》，其中写道：“郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也。”(谋篇)从《鬼谷子》中的记载可以看出，郑人去“取玉”，必须要带上司南，就是为了避免方向的迷失。

火药

火药，顾名思义，可由火花、火焰等引起剧烈燃烧的药剂。据《范子计然》的记载，春秋时代中国就已经用于民间民生应用，范子计然说

历史起源

尽管中华文明有很多重要的成就都以“四大”“五大”等命名，如四大美人、四大古典小说、四书五经，四大发明的概念却来源于西方学者，并在之后被中国人接受。意大利数学家杰罗姆·卡丹早在1550年就第一个指出，中国对世界所具有影响的“三大发明”：是司南（指南针）、印刷术和火药。并认为它们是“整个古代没有能与之相匹敌的发明。”1621年，英国哲学家培根也曾在《新工具》一书中提到：“活字印刷术、火药、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。”

1861～1863年，马克思和恩格斯更是将这些发明的意义推到了一个高峰，马克思在《机械、自然力和科学的运用》中写道：“火药、指南针、印刷术——这是预告资产阶级社会到来的三大发明。火药把骑士阶层炸得粉碎，指南针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术则变成了新教的工具，总的来说变成了科学复兴的手段，变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆。”

恩格斯则在《德国农民战争》中明确指出：“一系列的发明都各有或多或少的重要意义，其中具有光辉的历史意义的就是火药。现在已经毫无疑义地证实了，火药是从中国经过印度传给阿拉伯人，又由阿拉伯人和火药武器一道经过西班牙传入欧洲。”英国汉学家麦都思指出：“中国人的发明天才，很早就表现在多方面。中国人的三大发明（航海罗盘（司南），印刷术，火药），对欧洲文明的发展，提供异乎寻常的推动力。”

发明磁针

指南针前身——司南

指南针是用以判别方位的一种简单仪器。前身是司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。

磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。指南针的N指北方，E指东方，W指西方，S指南方。

中国是世界上公认发明指南针（Compass）的国家。指南针的发明是我国古代劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。

人们首先发现了磁石吸引铁的性质，后来又发现了磁石的指向性。经过多方面的实验和研究，终于发明了实用的指南针。最早的指南针是用天然磁体做成的，这说明中国古代劳动人民很早就发现了天然磁铁及其吸铁性。据古书记载，远在春秋战国时期，由于正处在奴隶制社会向封建社会过渡的大变革时期，生产力有了很大的发展，特别是农业生产更是兴盛发达，因而促使了采矿业、冶炼业的发展。

在长期的生产实践中，人们从铁矿石中认识了磁石。最早的指南针是司南。“中国最早的指南针理论，是建立在阴阳五行学说基础上的‘感应说’。”关增建介绍，11世纪中叶时中国大科学家沈括还对指南针感到匪夷所思，他的《梦溪笔谈》介绍了指南针的人工磁化方法、磁偏角的发现和指南针的架设方法，但对指南针为什么会指南却没有一点概念——“磁石之指南……莫可原其理！”随后，文人学者们从阴阳五行学说出发，结合当时人们对大地形状的认识，提出各种指南针理论。例如，最晚成书于宋代的《管氏地理指蒙》，首先提出如下逻辑：“磁针是铁打磨成的，铁属金，按五行生克说，金生水，而北方属水，因此北方之水是金之子。铁产生于磁石，磁石是受阳气的孕育而产生的，阳气属火，位于南方，因此南方相当于磁针之母。这样，磁针既要眷顾母亲，又要留恋子女，自然就要指向南北方向。”

南宋人的指南针原理，仍认为“指南针之所指，即阳气之所在”，只是围绕磁偏角现象，立论依据更多转向地理方位的坐标系统——中国古人认为地是平的、大小有限，这样地表面必然有个中心，过该中心的那条子午线就是唯一的南北方向。南宋人曾三异等认为，一旦测量地点不在这条南北线上，指南针所指向自然“少偏”。到明代，有人假托南唐人著作指出，指南正针由大地方位系统决定，而偏角则由天体方位划分系统所决定。关增建认为，这种说法“体现了传统指南针理论在阴阳感应学说和磁偏角的存在这一矛盾面前所表现出来的窘迫”。

南北两极

明万历年间（公元1573～1620年），传教士来华，带来西方的指南针理论、地球学说以及相关科技知识。受其影响，中国学者开始从新的视角探讨指南针理论问题，在此过程中，阴阳五行的作用不断淡化，力学角度的分析不断增加，但吉尔伯特1600年提出的科学理论连西方学界都没统一，更谈不上入主东土。

传教士中，1658年抵华的比利时耶稣会士南怀仁的指南针理论最系统，但他认为决定磁针指向的是地球的地理南北两极本身，理论仍然局限在古代科学的范围，而不像吉尔伯特认识到地球本身存在一个磁体。南怀仁理论在中国影响深远，直到19世纪中叶，中国仍有学者用它解释指南针问题。而此时，清末来华的传教士已开始着手把西方近代磁学知识介绍给中国了。先秦时代我们的先人已经积累了许多这方面的认识，在探寻铁矿时常会遇到磁铁矿，即磁石（主要成分是四氧化三铁）。这些发现很早就被记载下来了。《管子》的数篇中最早记载了这些发现：“山上有磁石者，其下有金铜。”其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人发现，《吕氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。”那时的人称“磁”为“慈”他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为：“石是铁的母亲，但石有慈和不慈两种，慈爱的石头能吸引他的子女，不慈的石头就不能吸引了。”据说秦始皇统一六国后，在咸阳附近修阿房宫，宫中有一座门是用磁石做成，如果有人身穿盔甲，暗藏兵器，入宫行刺，就会被磁石门吸住。这个故事告诉我们，古代劳动人民很早就掌握了磁学知识。当把两块磁铁放在一起相互靠近时，有时候互相吸引，有时候相互排斥。人们都知道磁体有两个极，一个称N极，一个称S极。同性极相互排斥，异性极相互吸引。那时的人们并不知道这个道理，但对这个现象还是能够察觉到的。

到了西汉，有一个名叫栾大的方士，他利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西，通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝，并当场演示。汉武帝惊奇不已，龙心大悦，竟封栾大为“五利将军”。栾大利用磁石的性质，制作了新奇的玩意蒙骗了汉武帝；指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。样子像一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指向南方。古人称它为“司南”，当时的著作《韩非子》中就有：“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中记载了司南的应用，郑国人采玉时就带了司南以确保不迷失方向。

春秋时代

春秋时代，人们已经能够将硬度5度至7度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度至6.5度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做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型，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，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。

司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁勺于盘中心圆面上，静止时，勺尾指向为南。每块磁铁两头都有不同的磁极，一头叫S极，另一头叫N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，也正是因为地磁极和地理两级不完全重合，才出现了地磁偏角现象。我们知道，同性磁极相斥，异性磁极相吸引，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。

二千多年以前，也就是春秋战国时候，中国已经用铁来制造农具了。劳动人民在寻找铁矿的时候，就发现了磁铁，并且知道它能够吸铁。《梦溪笔谈》是沈括（1031—1095年）所著的有关中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。”这是说，用磁石去摩擦缝衣针后，针锋有时指南，也有时指北。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。但沈括并不知道这个道理，他真实的记录了这个现象并坦白承认自己没有做深入思考。以期望后人能进一步探讨。

四种方法

关于磁针的装置方法，沈括介绍了四种方法：

1．漂浮法指南针——将磁针上穿几根灯心草浮在水面，就可以指示方向。

2．碗唇旋定法指南针——将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转，指示方向。

3．指甲旋定法指南针——把磁针搁在手指甲上面由于指甲面光滑，磁针可以旋转自如，指示方向。

4．缕悬法指南针——在磁针中部涂一些蜡，粘一根蚕丝，挂在没有风的地方，就可以指示方向了。

5. 支撑式指南龟——将指南针换做为一个龟形磁石，头指南，尾指北【与缕悬法指南针无较大差异】

指南龟是当时流行的一种新装置，将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。由于支点处摩擦力很小，木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向，而用于幻术。但是这就是后来出现的旱罗盘的先声。

推测方位

指南龟发明年代不晚于1325年。木块刻成龟型，龟腹部中心嵌以磁体，木龟安放在尖状立拄上，静止时首尾分指南北。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。

盘面周围刻二十四方位，内中盛水，磁针横穿灯草，浮于水面。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。成书于北宋的《武经总要》在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》谈到指南针不全指南，常微偏东。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。

魏晋南北朝时，中国先民对磁石的性质已有了很多认识。就连当时的诗人曹植在矫志诗中也用了“磁石引铁，于金不连。”的句子。可见他也了解磁石的性质。南北朝梁代的陶弘景在《名医别录》中提出了磁力测量的方法，他指出：优良磁石出产在南方，磁性很强，能吸引三、四根铁针，使几根针首尾相连挂在磁石上。磁性更强的磁石，能吸引十多根铁针，甚至能吸住一、二斤刀器。陶弘景不仅提出了磁性有强弱之分，而且指出了测量方法。这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。

是因为每块磁石两头都有不同的磁极，一头叫正极，另一头叫负极。人类居住的地球也是一块天然大磁铁，地球的南北两头也有不同的磁极，地球的北极是负磁极，地球南极为正磁极。根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引的原理，拿一根可以自由转动的磁针，无论站在地球的什么地方，它的正极总是指北，负极总是指南。战国时期，人们利用磁石指示南北的特性制成了指南工具──司南。但是，战国时期的司南是什么样子无法考证。《中国历史》课本插图──“司南”，是根据中国历史博物馆展品“汉代司南模型”绘制的。这个模型是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。

地盘是青铜做成的，内圆外方，中心圆面磨得非常光滑，以保证勺体指示方向的准确性。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的，磁铁的正极磨成司南的长柄，勺头底部是半球面，非常光滑。使用时先把地盘放平，再把司南放在地盘中间，用手拨动勺柄，使它转动，等到司南停下来，勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到八世纪时仍在应用。

发明造纸

造纸术是中国四大发明之一，人类文明史上的一项杰出的发明创造。中国是世界上最早养蚕织丝的国家。中国古代劳动人民以上等蚕茧抽丝织绸，剩下的恶茧、病茧等则用漂絮法制取丝绵。漂絮完毕，篾席上会遗留一些残絮。当漂絮的次数多了，篾席上的残絮便积成一层纤维薄片，经晾干之后剥离下来，可用于书写。这种漂絮的副产物数量不多，在古书上称它为赫蹏或方絮。这表明了中国造纸术的起源同丝絮有着渊源关系。

中国古代四大发明之一的纸张，很大可能是起源于中国南方，并且和岭南地区特别是环珠江口周围6000多年前涌现的丰富的树皮布文化体系有密切关系。中国自上世纪90年代环珠江口包括香港出土大量石拍，其中，深圳咸头岭遗址出土的不同时期石拍，科学测年表明距今6800年前或更早，是迄今所知世界上最早的树皮布制作石拍，揭示出中国岭南地区是世界树皮布文化起源地。研究证明树皮能通过拍打，做成像纸一样的载体，其存在可能已有数千年之久。树皮布在南中国很早已存在，东南亚和中美洲也有使用树皮纸的传统。

造纸文化

在古代，埃及有纸草纸，欧洲有羊皮纸，中国历史上有丝絮纸和作书写用的缣帛纸和蔡侯纸，其中只有植物纤维制造的蔡侯纸对世界造纸业的发展及人类文化的传播具有深远影响，其基本工艺一直沿用至今。

根据史书记载和后人研究，蔡伦造纸术的基本点，归纳起来就是用植物纤维为原料，经过切断，沤煮、漂洗、舂捣、帘抄、干燥等步骤制成的纤维薄片。没有经过造纸基本步骤处理的纤维薄片，不具备纸的基本性能，就不能称之为中国古代传统概念上的纸。世界上最早的纸是埃及的纸莎草纸，而欧洲中世纪则普遍使用羊皮纸，这两种纸因为原料单一，改进余地有限，被使用复数种类材料的中国纸所取代。如今还有个别的地方还使用造纸术来造纸。

大约在3500多年前的商朝，中国就有了刻在龟甲和兽骨上的文字，称为甲骨文。到了春秋时，用竹片和木片替代龟甲和兽骨，称为竹简和木牍。

甲骨和简牍都很笨重，战国时思想家惠施喜欢读书，每次外出游学身后都跟着五辆装满竹简的大车，所以有学富五车的典故。西汉时在宫廷贵族中又用缣帛或绵纸写字。缣是细绢、帛是丝织品的总称吏一方缣帛上写字时，便于书写，不但比简牍写得多，而且还可以在上面作画，但是价格昂贵，只能供少数王公贵族使用。

人们都知道蔡伦造纸，实际上，在东汉蔡伦大规模造纸之前，中国人就已经发明了造纸术，20世纪在中国各地出土的许多西汉时期的古纸片，可以证明这一点。这并非否定蔡伦造纸之功，而是说蔡伦的造纸术并非是突然之间的发明，它有一个技术积累的过程。西汉时期出土的植物纤维纸，是蔡伦造纸的前身。蔡伦扩大了造纸原料的范围，破布、鱼网、树皮、麻头等都可以造纸，其中树皮造纸更是他的发明。他的造纸工艺更为精细，造纸术到他这里，摆脱了纺织品附庸的地位——此前都是利用纺织之后抛弃的副产品来造纸的，蔡伦将造纸发展为一种独立的工艺。

造纸术在7世纪经朝鲜传到日本。8世纪中叶传到阿拉伯联合酋长国。到12世纪，欧洲才仿效中国的方法开始设厂造纸。

发明火药

一种黑色或棕色的炸药，由硝酸钾、木炭和硫磺机械混合而成，最初均制成粉末状，以后一般制成大小不同的颗粒状，可供不同用途之需，在采用无烟火药以前，一直用作唯一的军用发射药。火药是中国古代炼丹家发明于隋唐时期，距今已有一千多年了。火药的研究开始于古代道教的炼丹术，道士们为求长生不老而炼制丹药，虽然毒死了不少道士和帝王，但它的实验方法还是有可取之处，最后导致了火药的发明。

炼丹家虽然掌握了一定的化学方法，但是他们的方向是求长生不老之药，火药的发明是副产品。炼丹家对于硫磺、砒霜等具有猛毒的金石药，在使用之前，常用烧灼的办法“伏”一下，“伏”是降伏的意思。使毒性失去或减低，这种手续称为“伏火”。唐朝中期著名道士柴炫圻，在“伏火矾法”中提出了一个伏火的方子：“硫二两，硝二两，马兜铃三钱半。右为末，拌匀。掘坑，入药于罐内与地平。将熟火一块，弹子大，下放里内，烟渐起。”他用马兜铃代替了孙思邈方子中的皂角，这两种物质代替碳起燃烧作用的。伏火的方子都含有碳素，而且伏硫磺要加硝石，伏硝石要加硫磺。这说明炼丹家有意要使药物引起燃烧，以去掉它们的猛毒。虽然炼丹家知道硫、硝、碳混合点火会发生激烈的反应，并采取措施控制反应速度，但是因药物伏火而引起丹房失火的事故时有发生。《太平广记》中有一个故事，说的是隋朝初年，有一个叫杜春子的人去拜访一位炼丹老人。当晚住在那里。半夜杜春子梦中惊醒，看见炼丹炉内有“紫烟穿屋上”，顿时屋子燃烧起来。这可能是炼丹家配置易燃药物时疏忽而引起火灾。

还有一本名叫《真元妙道要略》的炼丹书也谈到用硫磺、硝石、雄黄和蜜一起炼丹失火的事，火把人的脸和手烧坏了，还直冲屋顶，把房子也烧了。书中告戒炼丹者要防止这类事故发生。这说明唐代的炼丹者已经掌握了一个很重要的经验，就是硫、硝、碳三种物质可以构成一种极易燃烧的药，这种药被称为“着火的药”，即火药。由于火药的发明来自制丹配药的过程中，在火药发明之后，曾被当做药类。《明熹宗实录》：“天启二年十二月二十日辛巳，援辽总兵毛文龙以登抚（袁可立）所遣管运参将黄胤恩、推官孟养志等发到粮饷并布疋、军器、火药等物，复蒙颁给敕印、旗牌，授以援辽总兵便宜行事，具谢恩。”

《本草纲目》中就提到火药能治疮癣、杀虫，辟湿气、瘟疫。火药不能解决长生不老的问题，又容易着火，炼丹家对他并不感兴趣。火药的配方由炼丹家转到军事家手里，就成为中国古代四大发明之一的黑色火药。

球状火药包扎在箭杆头附近，点着引线以后，用弓箭将火药射出去烧伤敌人。还有把火药、毒药，再加上一些沥青、桐油等，做成毒球，点着以后，用弓箭射出，杀伤敌人是后来的“万人敌”。到了宋朝，人们将火药装填在竹筒里，火药背后扎有细小的“定向棒”，点燃火管上的火硝，引起筒里的火药迅速燃烧，产生向前的推力，使之飞向敌阵爆炸，这是世界上第一种火药火箭。以后又发明了火枪和枪，这些都是用竹管制成的原始管形火器，是近代枪炮的老祖宗。

欧洲人约在13世纪时才懂得黑火药的作用，而经过数个世纪的发展与改良，主要是粒状火药和火帽等发明，黑火药兵器乃逐步取代冷兵器，在陆地战争战术、攻城筑城技术以及海军战列舰的发展和战术等各方面，造成革命性的影响，而黑火药作为爆炸药和推进剂，一直到十九世纪中后期才逐渐被无烟火药、三硝基甲苯、苦味酸、季戊炸药、旋风炸药等新发明的炸药所取代，这些新炸药则不是中国人的发明。

发明印刷

目前发现最早的雕版印刷成品是一单页版印度梵文撰写的《陀罗尼经》，该经是印在亚麻纸上，于650年至670年间出版，且在1974年于西安附近的唐代陵墓出土。

1966年，考古学家在韩国发现了一本微型《陀罗尼佛经》，该经内含唐朝女皇武则天（约690年-705年）颁行的则天文字。学者断定该经不早于704年，后来被珍藏在一座建于751年统一新罗时代的舍利塔里。不过，已知最早一般大小的印刷出版书籍，是唐代（618年-907年）间刊行的《金刚经》。该经长5.18米（17英尺），卷轴格式，可追溯到唐懿宗咸通9年农历4月15日（即868年）。学者李约瑟和钱存训（Tsien Tsuen-hsuin）的记述表示唐朝金刚经的书法雕刻技术远较较早印行的单页版印度陀罗尼经更为先进，更为精巧。另外，两个最古老的印刷农历日期为877年和882年，它们是在当时敦煌被发现。根据历史学家邓广铭考证，雕版印刷术发明于唐朝，唐朝是中国历史上最发达的黄金时期，许多僧人参与印刷术的研发与创新，并在唐朝中后期开始普遍使用。宋代虽然发明了活字印刷术，但是普遍使用的仍然是雕版印刷术。

北宋科学家、政治家、学者沈括曾在《梦溪笔谈》中有一篇文章叫《活板》，其中详细介绍了活板印刷术的全过程，通俗易懂，非常详细。在他写于1088年的著作《梦溪笔谈》中，将此发明归于不知名的工匠毕升（990年-1051年）。随著烧结陶土字符的使用，沈括描述毕升制作字形、捡字排列、印刷、并在印刷后拆解留待后来使用。宋代虽然发明了活字印刷术，但是普遍使用的仍然是雕版印刷术。毕升曾尝试木制活字，但木制活字一直要到元朝（1271年–1368年）王祯（活跃于1290年至1333年）的木模才趋完善。王祯亦将文字按照音韵组合置于有小隔间的转轮排字盘以方便捡字。至于铜版活字要等到明朝（1368年-1644年）华燧（1439年至1513年）于1490年的印刷作品才趋完美。

木活字

元代，著名道家学者、农学家与机械学家王祯发明了木活字，并创造出比较简捷的适于汉字复杂特点的转盘排字方法；后又发明了金属活字，使活字印刷得到了改进。唐代的雕刻印本传到日本，8世纪后期日本完成了木板《陀罗尼经》以后又传到朝鲜、中东一带和东欧。15世纪，德国人学会了用合金铸字，从此毕升首次创造的活字印刷在欧洲各地推广开来。

中国是世界上最早发明印刷术的国家。早期的印刷是把图文刻在木板上用水墨印刷的，木版水印画仍用此法，统称“刻版印刷术”（亦称“雕版印刷术”）刻版印刷的前身是公元前流行的印章捺印和后来出现的拓印碑石等。造纸和制墨等生产技术出现之后，逐渐发明了刻版印刷技术。

源于唐朝

根据历史学家邓广铭考证，雕版印刷术发明于唐朝，并在唐朝中后期开始普遍使用。[3]宋代虽然发明了活字印刷术，但是普遍使用的仍然是雕版印刷术。[4]世界上现存最早的印刷物是唐咸通九年（公元868年）印制的《金刚经》（它全郑长4877毫米，高244毫米，由七张粘连起来而成一卷。卷首有释迦说法图，末有“咸通九年四月十五日王玠为二亲敬造普施”题记。原藏于甘肃敦煌千佛洞，1899年发现。1907年为英国人斯坦因盗去，现存于英国伦敦不列颠博物馆）。它与造纸术一样对知识的保存和流通造成影响。另外，印刷术的发展与早期的印章无直接关系，古代印章在古埃及、古希腊、两河流域都有使用。美国考古学家在中亚土库曼斯坦安纳乌曾于2000年10月发掘出距今4300年的中亚印章，其文字仍有待考。

中国的四大发明在欧洲近代文明产生之前陆续传入西方，对西方科技发展产生一定影响。火药和火器的采用摧毁了欧洲中世纪天主教的思想枷锁。指南针传到欧洲航海家的手里，使他们有可能发现美洲和实现环球航行，为西方奠定了世界贸易和工场手工业发展的基础。

而李约瑟对这四大发明的赞美和强调，使得这一说法获得了中国的很大认同，并被写进了教科书。恩格斯在1857年发表的《炮兵》中写道：“在中国，还在很早的时期就用硝石和其他引火剂混合制成了烟火药，并把它使用在军事上和盛大典礼中”火药最早在公元9世纪晚唐时期的炼丹书籍中就有记载。

公元904年，杨行密军围攻豫章（今江西南昌），部将郑璠命所部“发机飞火，烧龙沙门，率壮士突火先登入城，焦灼被体”，这是火药最早使用于军事记载，最早的火药武器则出现在五代时期的敦煌壁画。

十世纪五代时期的敦煌（时属归义军）壁画，目前所知最早的关于火枪和手榴弹的描绘。世界上最早的金属火铳出土于中国黑龙江，制作年代为1288年，现藏黑龙江省博物馆。

西汉时期

早在西汉时，中国劳动人民就已造纸。东汉时，蔡伦在总结前人经验的基础上，改进了造纸术，他用树皮，麻头，破布和旧渔网等材料制成植物纤维纸。蔡伦他曾被封为“龙亭侯”，所以人们把他创造的这纸叫做“蔡侯纸”。从6世纪开始，造纸术逐渐传往朝鲜、日本，以后又经阿拉伯、埃及、西班牙传到欧洲的希腊、意大利等地。1150年，西班牙开始造纸，建立了欧洲第一家造纸厂。此后，法国（1189）、意大利（1276）、德国（1391）、英国（1494）、荷兰（1586）、美国（1690）都先后建厂造纸。到16世纪，纸张已流行欧洲。中世纪的欧洲，据说抄一本《圣经》要用300多张羊皮，文化信息的传播因材料的限制，范围极其狭小，纸的发明为当时欧洲蓬勃发展的教育、政治、商业等方面的活动提供了极为有利的条件。

中国唐朝时期，人们把刻制印章从刻石上拓印文字两种方法结合起来，发明了雕版印刷术。唐代留下的《金刚经》，精美清晰，是世界上最早的标有确切日期的雕版印刷品（868年）。11世纪中期的宋代，毕昇发明了活字印刷术，使印刷术得到普遍推广。中国的雕版印刷大约在11世纪以后由阿拉伯传的欧洲，12世纪左右传到埃及，随着造纸术的传播，纸张先后取代了埃及的纸草，印度的树叶以及欧洲的羊皮等，引发了世界书写材料的巨大变革，14至15世纪欧洲开始流行印刷术。

欧洲现存最早的有确切日期的雕版印刷品，是德国南部的《圣克利斯托菲尔》画像（1423年），晚于中国约600年。1450年前后，德国人受中国活字印刷术的影响，创制了欧洲拼音文字的活字，用来印刷书籍，比毕昇晚了400年。印刷术传到欧洲后，改变了原来只有修道士才能读书和接受较高教育的状况，为欧洲的科学从中世纪漫长黑夜之后突飞猛进发展以及文艺复兴运动的出现提供了一个重要的物质条件。

1584年西班牙历史学家，传教士冈萨雷斯· 德·门多萨在所著《中华大帝国史》中提出，古腾堡受到中国印刷技术影响；中国的印刷术，通过两条途径传入德国，一条途径是经俄罗斯传入德国，一条途径是通过阿拉伯商人携带书籍传入德国。中世纪欧洲书写都用羊皮纸卷，并无“书籍”和“印刷”的概念。古腾堡以这些中国书籍，作为他的印刷的蓝本。门多萨的书很快被翻译成法文、英文、意大利文，在欧洲产生很大影响。法国历史学家路易·勒·罗伊，文学家米歇尔·德·蒙田等，都同意门多萨的论点。法国汉学家安田朴曾以“欧洲中心论欺骗行为的代表作：所谓古登堡可能是印刷术的发明人”为题，论证欧洲的活字印刷术来源于中国。（[法]安田朴《中国文化西传欧洲史》）中国在唐朝时期就已发明了火药，并最早用于军事。10世纪初的唐未，出现了火炮、火箭，宋时火器普遍用于战争。蒙古人从与宋、金作战中学会了制造火药、火器的方法，阿拉伯人从与蒙古人作战中学会了制造火器。欧洲人大约于13世纪后期，又从阿拉伯人的书籍中获得了火药知识，到14世纪前期，又从对回教国家战争中学到了制造火药、使用火器的方法。火器在欧洲城市市民反对君主专制中发挥了巨大作用。火药的发明大大的推进了历史发展的进程，是欧洲文艺复兴的重要支柱之一。

恩格斯指出：“火器一开始就是城市和以城市为依靠的新兴君主政体反对封建贵族的武器。以前一直攻不破的贵族城堡的石墙抵不住市民的大炮；市民的枪弹射穿了骑士的盔甲，贵族的统治跟身披铠甲的贵族骑兵队同归于尽了。”

早在战国时代，中国人就已经根据磁石指示南北的特性制成了“司南”，这是世界上最早的指南仪器。北宋时期，人们发明了用人工磁化铁针的方法，制成指南针，并开始应用于航海。南宋时，指南针普遍应用于航海，同时传到阿拉伯。13世纪初指南针传入欧洲。指南针在航海上应用，导致了以后哥伦布发现美洲新大陆的航行和麦哲伦的环球航行。这大大加速了世界经济发展的进程。

历史意义

四大发明是中国古代先民为世界留下的一串光耀的足迹，是人类文明进步作出巨大贡献的象征。

① 造纸术的发明：为人类提供了经济﹑便利的书写材料，掀起一场人类文字载体革命；

② 雕版印刷术的发明：大大促进了文化的传播；

③ 指南针的发明：为欧洲航海家的航海活动，提供了条件；

④ 火药武器的发明：火药武器的使用，改变了作战方式，帮助欧洲资产阶级摧毁了封建堡垒，加速了欧洲的历史进程。