自制指南針（上）

指南針可以很方便地幫助辨別方向（圖1），在戰(zhàn)爭、探險(xiǎn)、旅游等多種場景中得到應(yīng)用，在古代還用于占卜、祭祀等。指南針為什么能指向南、北方向？所指的方向準(zhǔn)確嗎？今天，張老師就帶大家了解一下指南針的前世今生和工作原理，并利用身邊常見的材料做幾個(gè)指南針。這里面涉及的科學(xué)知識(shí)還真不少。

早期的指南針

磁體具有3個(gè)最基本的性質(zhì)。

第一是吸鐵性。這里的“鐵”并不單指鐵元素，而是指鐵磁性物質(zhì)，包括鐵、鈷、鎳等。目前，自然界存在的以及人造的元素共有118種，但是具有磁性的寥寥無幾。常溫下（15～25℃），通常只有鐵、鈷、鎳等少數(shù)幾種元素具有磁性（稀土金屬釓在低于18℃的環(huán)境中也能表現(xiàn)出磁性）。

第二是指向性。讓磁體在平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)（常用線懸吊或尖端支撐的方法），靜止下來時(shí)，它們總是一端指南，一端指北。指南的那一端稱為“指南極”，簡稱“南極”（S極）；指北的那一端稱為“指北極”，簡稱“北極”（N極）。南極與北極是磁體上磁性最強(qiáng)的地方。

第三是同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。據(jù)說，西漢的方士欒大就曾利用這個(gè)性質(zhì)做了兩個(gè)像棋子的磁體，讓它們“表演”吸引或排斥，稱作“斗棋”。后來，他把這個(gè)當(dāng)時(shí)看起來很新奇的玩意兒獻(xiàn)給了漢武帝，還被封賞了。今天的磁性玩具就有很多了，比如磁性飛鏢、磁性拼裝模型等（圖2）。

磁體的吸鐵性與指向性很早就被發(fā)現(xiàn)了。先秦時(shí)期，人們把磁石吸引鐵類比作慈母對(duì)子女的吸引，故把磁石寫成“慈石”。磁石的主要成分是四氧化三鐵，戰(zhàn)國時(shí)期的磁山一帶（今屬邯鄲市）多有發(fā)現(xiàn)，早期的司南出現(xiàn)在那一區(qū)域就不足為奇了。用天然磁石磨制成勺子形狀，放置在一個(gè)四周刻有方位的盤子上，一個(gè)簡單的司南就做好了（圖3）。“司南”的“司”字，是“掌管”的意思——當(dāng)旋轉(zhuǎn)的勺子停下來，勺柄總是指向南方。后來，司南在不同時(shí)代、不同區(qū)域得到不同的改進(jìn)，大概在唐代時(shí)，“變勺為針”就很普遍了。磁針攜帶起來更加方便，精度也提高了。到了宋代，沈括在《夢(mèng)溪筆談》中說磁針“常微偏東，不全南也”，說明已經(jīng)觀察到了磁偏角——地磁的南、北方向與地理的南、北方向（經(jīng)線）存在的夾角，這比哥倫布1429 年橫渡大西洋時(shí)發(fā)現(xiàn)磁偏角要早得多。

如果你想感受一下磁偏角，也很簡單。陽光燦爛的正午，豎直立起一根竹竿，落在水平面上的竿影就是南、北方向；邊上再放置一個(gè)指南針，你會(huì)發(fā)現(xiàn)指南針的指向與竿影方向并不平行?！傲⒏鸵娪啊北鎰e南、北方向，采用的是天文學(xué)的方法，易受天氣與晝夜影響；用磁體辨別南、北方向，則突破了這種限制。

中國古代還出現(xiàn)過指南車、指南魚、指南舟等磁體定向器，但是大多數(shù)都沒有實(shí)物出土，后人只能憑借現(xiàn)有的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)去推測(cè)它們的構(gòu)造。但是，羅盤就很常見了，從唐末至今，出現(xiàn)過多種形制。羅盤傳入歐洲后，在航?；顒?dòng)和地理大發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了重要作用。

奇妙的磁場

磁體周圍存在磁場，磁場最基本的性質(zhì)，就是對(duì)放入其中的磁體能產(chǎn)生力的作用。但是，磁場看不見、摸不著，比較抽象。為了形象地描繪磁場的強(qiáng)弱和方向，物理學(xué)家法拉第引入了磁感線這種模型。

在磁體上方放置透明玻璃板，在玻璃板上撒上鐵屑，鐵屑立刻會(huì)被磁化為一個(gè)個(gè)小磁針。輕敲玻璃板，鐵屑的排列就出現(xiàn)了一定的規(guī)律性，形狀類似一根根連續(xù)的曲線；磁感線的靈感就來自此（圖4）。磁場是客觀存在的，它的方向卻是人為規(guī)定的。結(jié)合磁感線，空間中某點(diǎn)的磁場方向可以有3種表述：小磁針在該點(diǎn)時(shí)北極的受力方向、小磁針在該點(diǎn)時(shí)北極的指向、磁感線在該點(diǎn)的切線方向。磁感線是假想的曲線，是為了便于我們描繪磁場而采用的一種模型。磁場的方向用磁感線上的箭頭表示；磁場的強(qiáng)弱用磁感線的疏密來表示，磁場越強(qiáng)，磁感線越密。磁感線在磁體周圍的形狀是立體的，每一條磁感線都是閉合的，任何兩條磁感線不能相交。在磁體外部，磁感線總是從磁體的北極出發(fā)，回到南極。

如圖5所示，B點(diǎn)的磁場比A點(diǎn)磁場強(qiáng)，因?yàn)锽點(diǎn)的磁感線比較密。小磁針在A點(diǎn)靜止時(shí)，N極指向A點(diǎn)的切線方向；而B點(diǎn)的小磁針將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到N極指向B點(diǎn)的切線方向（圖5）。

對(duì)“場”的概念難以理解的同學(xué)，可以簡單地把它想成“看不見的力”。物體間發(fā)生力的作用，有的需要接觸，比如摩擦力、彈力，而有的不需要接觸，就是通過“場”來實(shí)現(xiàn)的。飛機(jī)受到地球施加的重力，是通過引力場實(shí)現(xiàn)的；電荷間的相互作用，是通過電場實(shí)現(xiàn)的；磁極間的相互作用，也是通過磁場實(shí)現(xiàn)的。

（責(zé)任編輯：白玉磊）