高中物理 第五章 磁场与回旋加速器磁与人类文明

高中物理 第五章 磁场与回旋加速器磁与人类文明

磁与人类文明 从《梦溪笔谈》看沈括对磁学的贡献与浅评 梦溪笔谈，北宋科学家·政治家沈括（1031——1095）撰，是一部涉及古代汉族自 然科学·工艺技术及社会历史现象的综合性笔记体著作。其中仅关于自然科学的条 目就有二百多个，内容涉及到天文，数学，物理，化学，生物，气象，地质，医药， 兵器，地理，冶金和工程技术等诸多领域。被誉为“中国科学史的里程碑”，同时 在国际上也有很高的评价，英国科学史家李约瑟评价梦溪笔谈为“中国科学史上的 坐标”。 二十世纪以来，学术界对梦溪笔谈的研究是极其丰富与广阔的，不仅对作者的背景 及书籍版本进行了研究和考证，而且分别从数学，物理，化学等自然科学领域进行 对比研究与评价，本文主要是对梦溪笔谈中关于磁学的条目进行浅析，以期能够总 结沈括对磁学的发展做出的贡献。 一、关于指南针的发明与利用 说到磁学就要谈一下指南针的发明与利用，马克思曾说：“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，而印刷术则变成新教的工具，总的来说变成科学复 兴的手段，变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆”。[1]。由此可知指南针 的重要。我国古籍中关于磁石的最早记载，是在《管子•地教篇》中：“上有慈石者， 下有铜金。”人们在同磁石不断接触中，逐渐了解到它的某些特性，并且利用这些 特性来为人类服务，其代表成果就是司南。 司南是指南针问世之前最古老的磁性指向器。有关司南的最早记述见于战国末的《韩 非子·有度》：“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。”这是司南二字第一次出现在中国的文字记 载，但是过于简略，只有名称而没有关于司南的介绍。东汉王充在其《论衡·是应 篇》中写道“司南之杓，投之于地，其柢指南”。这段文字说明了“司南”的形状， 使用方法以及它的指极性。王振铎先生对这段话作出了严谨的考证，并对司南进行 了科学的复制，他的复制样品已经被国内外科学技术史界和文化界普遍接受。[2] 从天然磁石制作的司南到以磁化方法制造指南针，在科学方法和科学认识上无疑是 一个巨大的进步。由司南向指南针的过渡过程大概是在唐宋之际完成的，因此，关 于指南针的文献记载毫无征兆的丰富起来，不仅有指南针，还出现了磁化铁针，铁 片的方法，以及地磁偏角的发现。在这里就不得不说沈括的《梦溪笔谈》了，以磁 感应法磁化钢针，磁针的多种安装方法和磁偏角都在该书中有详细的记载。 二、《梦溪笔谈》中的指南针 沈括在《梦溪笔谈》卷二十四《杂志一》[3]中写道“方家以磁石磨针锋，则能指南， 然常微偏东，不全南也。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。其中有磨而指北者。予家指南，北者皆有之。磁石之指南，犹 柏之指西，莫可原其理。”按沈括的说法，当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针， 就能使针带上磁性。从现在的观点来看，这是一种人工磁化的方法，利用天然磁石 的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。 这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的发明不但世界最早， 而且为有实用价值的磁指向器的出现，创造了条件。其后沈括又在《梦溪笔谈·补 笔谈》卷三《药仪》[4]中补充道：“以磁石磨针锋，则锐处常指南，亦有指北者， 恐石性亦不同，如夏至鹿角解，冬至麋角解，南北相反，理应有异，未深考耳。” 从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋 于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。这是说，用磁石去摩擦缝衣针后，针 锋有时指南，也有时指北。从现在的观点来看，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。 简单的说，沈括总结和记载了四种指南针的装置方法。第一种是水浮法，将磁针上 穿几根灯心草浮于水面进行指南，这是水罗盘的肇始，后来广泛用于早期航海，虽 然比较平稳，但容易动荡不定；第二种是指甲旋定法，将磁针置于指甲上，指甲表 面光滑，磁针转动灵活，但容易滑落；第三种是碗唇旋定法，将磁针置于碗口边上， 转动较灵活，也容易滑落；第四种是缕旋法，用蚕丝将磁针悬挂起来，可达到转动 灵活而又稳定。 这四种方法中，安装指南针的缕悬法，被沈括论断为最佳的方法，同时被后世证明 是比较具有科学意义的方法，法国科学家库伦（C.A.de Coulomb，1736——1806）， 1777 年在参加法国科学院悬赏征集船用罗盘的最佳方案时，以他的《关于制造磁针 的最优方法的研究》一文，提出以丝悬指南针的方法，从而获得了头等奖。而这个 方法早在他 600 年前沈括就进行了记载。 三、地磁偏角 磁偏角、磁倾角（地球磁场和水平面的夹角）和地磁场的水平分量（或地磁场的强 度）称作“地磁三要素”。地磁偏角的发现，使指南针的应用进入了科学阶段，地 磁偏角的发现是中国古代科学的一大成就。沈括在《梦溪笔谈》中记述了地磁偏角， 同时指出，指南针的指向是在地理南向而略微偏东一些，但沈括并没有记下具体的 “南偏东”的数值。在西方，欧洲人对磁偏角的发现是在哥伦布海上探险途中的 1492 年，磁倾角的发现还要晚一些。而我国对磁偏角、磁倾角的发现都要早得多 现在人们已经知道，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。 四、沈括的贡献与局限 在《梦溪笔谈》中，沈括关于磁学的贡献，主要在于对已有的磁学现象进行了文字 性的记载，以及在只言片语中透漏出来的领先世界的磁偏角现象，这无疑给后世的 科学是专家提供了史料依据以及如实再现了当时中国所取得的磁学成就，鼓舞了中 国人民的民族自尊心与自信心，同时还保存了当时科学技术的具体史料，客观如实 的对当时中国的磁学发现进行了总结性的描述，为现代中西方磁学发展对比研究提 供了可靠的文字资料。沈括将听来的理论进行亲自实践，这在当时儒家社会无疑是 个另类的行为。沈括在记述的时候对科学技术诸问题的敏锐观察，精确实验与理性 思考以及对自己不懂的方面存疑不论，这种实事求是，有证发论的治学态度无疑是 一个知识分子应有的操守与原则。《梦溪笔谈》有成就的同时也存在着局限，首先 作者沈括始终都是一位士大夫，他有强烈的从政欲望，而且他一直身处官场，他的 地位与抱负使他没有那么多精力与想法去深入探究埋藏在指南针背后的规律与理论。 其次沈括对指南针的记载不过是被他与生俱来的兴趣所推动的，而不是有意识有目 的有计划的针对性研究与理论性总结，所以他对磁针所蕴含的磁现象缺乏深入细致 的研究，那么他对磁现象的本质，也只能是“莫可原其理”，“未深考耳”。而且 沈括的描述受“笔记体”的影响与限制，零散而不成系统，不能称为规范的科学著 述。最后，沈括著述的时候就是以“谈谑”为宗旨，不仅受主观意识的限制，而且 受客观世界的科学发展程度以及思想文化统治所局限，这就不仅是沈括的个人问题， 更是整个中国古代社会的发展问题与障碍。 总的来说，站在十一世纪的沈括，在思想上无疑是自由与开放的，而且目光具有前 瞻性，对中国磁学的发展上是不容忽视的，启发人做学问要从大处立足，从小处着 手，要“小题大做”，同时引以为戒，要透过现象看本质，不要仅仅停留在事物的 表面层次；做学问，搞研究，要大胆设想，小心求证，在实践的基础上，有一分证 据说一分话，对得到的知识进行深入思考，总结规律，系统叙述。