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第10章 仪器类发明(1)
奇迹概览
指南针是我国历史上的四大发明之一，同时也是中国对世界文明发展的一项重大贡献。指南针是用以辨别方向的一种简单的仪器。我国古代劳动人民在长期的生产实践中，接触了磁铁矿，逐渐认识了磁性。在发现磁石可以吸引铁的性质后，人们又发现了磁石可以指示方向。经过多方的实验和研究，人们终于发明了简便实用的指南针。这一发明后来经由阿拉伯传入了欧洲，对欧洲的航海业甚至整个人类社会的文明进程，都产生了巨大的影响。
⊙奇迹探秘：
1.在陌生的地理环境中，我们可以利用指南针来辨别方向，那么，指南针为什么可以指示方向呢？
在自然界中，许多物质具有吸引铁等物质的属性，这种属性就是磁性。带有磁性的物质称为磁体，而磁体上磁性最强的部位称为磁极。我们所生活依存的地球就是一个大磁体，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。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。指南针在地球磁场中受磁场力的作用，因此会一端指南一端指北。
2.指南针的发明也有一个过程，而最早的可以指示方向的东西却不是指南针，它是什么呢？
传统观点认为，指南针的始祖大概出现在我国战国时代，它的前身是我国古代劳动人民发明的一种可以指示南北的指南器--司南。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，四周刻有八卦、天干、地支和二十八宿，共计二十四个方位。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。
走近奇迹
指南针也叫罗盘针，是我国古代发明的利用磁石指极性而制成的指南仪器。
我国古代先民从很早时候起就对磁性有了观察和研究，晋朝、东汉时的一些典籍中就有磁石或磁性的使用记载。而到了魏晋南北朝时，更在《名医别录》（是秦汉医家在《神农本草经》一书内容补充之外又补记的365种新药物，分别记述其性味、有毒无毒、功效主治、七情忌宜、产地等。由于本书系历代医家陆续汇集，故称此书名）中提出了磁力测量的方法，这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。
春秋时期，我国劳动人民在采矿、冶炼中逐渐认识了磁石。到了战国时期，人们就利用磁石的这一原理制作而成世界上最早的指南工具--司南，并用它来判定方位。司南在使用时需要先把地盘放平，再把司南放在地盘中间，用手拨动勺柄，使它转动，等到勺子停下来，勺柄所指的方向就是南方。这种勺形司南直到8世纪时仍在应用。
到了北宋后期（11世纪），我国劳动人民又逐渐掌握了制造人工磁体的技术，之后又制作出了指南鱼，这是一种用薄铁片剪成的鱼形指南针，将铁片加热并沿子午线方向淬火使之被地磁场磁化。这种方法制作而成的指南针比司南要方便许多，只要有一碗水，就能将鱼放在水面上辨别方向。之后，人们又经过反复的改进，发现钢针在天然磁体上摩擦带了磁性后也可以指示方向。在我国北宋科学家沈括所著的科学巨著《梦溪笔谈》中，对这种人工磁化的方法有详细的描述，而经过人工带磁的钢针，可以说是比较正式的指南针了。
进入南宋后，人们又发明出了指南龟，这便是后来广为应用的旱罗盘的前身。在这一时期，人们还发明出磁针与方位盘一体的罗盘，这就为人们测量方位更提供了便利。
指南针一经发明很快就被应用到军事、生产、日常生活、地形测量等方面，特别是航海上。指南针在航海上的应用有一个逐渐发展过程，在《萍洲可谈》（我国宋代记述有关典章制度、风土民俗及海上交通贸易等的笔记体著作）中就记录了世界航海史上最早的指南针的使用记载。到了元代，指南针一跃而成为海上指航的最重要的仪器，它的使用已经不再受昼夜与天气的影响。而且人们还编制出罗盘的使用导航，在不同航行地点通过指南针的针位做出连线图，称为“针路”。船行到什么地方，采用什么针位方向，一路航线都一一标识明白，以此作为航行的依据。
在北宋末南宋初（约1180年），中国的指南针通过阿拉伯商人传入了欧洲，欧洲人才开始利用指南针导航，这不仅促成了15-16世纪世界历史上著名的“地理大发现”，更是使资本主义的原始积累在世界范围内迅速展开，从而改写了人类的历史。现在，指南针依然在人类的生活中发挥着巨大的作用。
⊙奇迹探秘：
3.我国古代早期的指南针都是什么样子的呢？
我国古代早期的指南针可谓是多种多样，有鱼形、针形，还有龟形的。
鱼形的指南针称为指南鱼，民间常用薄铁叶剪裁成鱼形，鱼的腹部略下凹，磁化后浮在水面就能指南北。另外，还有一种指南鱼的做法，是用木头刻成手指大小的鱼形，木鱼腹中放入一块天然磁铁，磁铁的S极指向鱼头，用蜡封好后，从鱼口插入一根针，就成为指南鱼。将其浮于水面，鱼头指南，这也是水针的一类。
而用磁石摩擦缝衣针后，使针锋带了磁性，便成为磁针。可以有以下几种方法来装置磁针：水浮法，将磁针上穿几根灯心草浮在水面，就可以指示方向。碗唇旋定法，将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转，指示方向。指甲旋定法，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。缕悬法，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。
做成龟形的指南针就是指南龟，它是用木块刻成龟的形状，龟腹部中心嵌以磁体，木龟安放在尖状立柱上，龟静止时首尾分指南北。
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【指南针的构造】
指南针的主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针（针形磁铁，通常是狭长菱形。中间支起，可在水平方向自由转动，受地磁作用，静止时两个尖端分别指着南和北），磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线（是指在地球磁场作用下，磁针在某点自由静止时其轴线所指的方向）的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能，人们可以辨别方向。指南针常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。
知识百科
【电子指南针】
指南针是一个重要的导航工具，但有时候由于磁针磁力的强弱变化，有可能会造成方向指示的偏差。因此，随着科技的不断发展与进步，现代科学手段利用了指南针的原理，制作成了电子指南针，它将会弥补旧式指南针或罗盘指南针的缺陷。因为电子指南针全部采用固态的元件，相比较而言，它的稳定性要更好一些。而且，电子指南针还可以与其他电子系统进行简单的系统对接，这使得它使用起来更为方便，它的使用范围也更为宽广。
17.钟表
奇迹概览
从原始的计时法到第一台机械原理钟，再到现在各种奢华而精密的钟表的演变过程中，世界上不同时期的科学家及钟表工匠们，用他们的智慧和实践容合成了一座时间的隧道，勾勒出了钟表文化和科技的发展轨迹。德国作家恩斯特·容格（Ernst Jünger）这样说道：“钟表创造了自然界中新的节奏。此后人类彻底告别了时间由自然决定的时代，摆脱了自然界的束缚，开创了自主划分时间的新纪元。”随着人们生活节奏的加快，时间的单位也变得更加精确，利用钟表我们可以更合理地控制和管理时间了。
⊙奇迹探秘：
1.钟和表指的是同一种物品吗？如果不是，它们有什么区别吗？
钟和表被统称为钟表，它们都是计量和指示时间的精密仪器。
按照国际惯例，习惯将机芯的直径超过50毫米、厚度超过12毫米的称为钟；机芯直径37-50毫米、厚度4-6毫米的，称之为怀表；机芯直径在37毫米以下的称之为手表；机芯面积不大于314平方毫米或者机芯直径不大于20毫米的，称之为女表。手表是人类发明中最小、最坚固、最精密的机械之一。
走近奇迹
古代人是通过观察各种天文现象或者流动物质的连续运动来判断时间的。例如，人们发现影子的长度会随着时间而改变，于是发明了日晷，它是利用日影的方位来计时的；而沙漏和壶漏则是利用沙流和水流的流量来计时的。
古代时中国就有以水来计时的工具，如铜壶滴漏。到了东汉时期，天文学家张衡制造了漏水转浑天仪，他用齿轮系统把计时漏壶和浑象连接起来，以漏壶滴水来控制浑象旋转，一天刚好可以转一周，这便是最早出现的机械钟。
1088年，宋朝的天文学家苏颂组织了一批学者，并运用自己丰富的数学、天文和机械学知识制造了集报时、演示和天象观察三种功能于一体的水运仪象台，这是世界上最早的天文钟。虽然它最终被毁于几十年后的战乱，但是在世界钟表史上它具有着极为重要的意义。
14世纪时，在欧洲某些国家的高大建筑物上出现了报时钟，它的指示机构只有时针，动力来源于悬挂的重锤因地心引力而产生的重力作用，被称为机械打点钟。15世纪末到16世纪初，开始出现了铁制发条，这成为了钟的新动力来源，为钟向小型化发展创造了条件。1583年，意大利科学家伽利略建立了钟摆的理论基础--等时性理论。1656年，荷兰科学家惠更斯利用伽利略的理论成功地设计了钟摆，并指导制造了第一个摆钟；1675年，他又用游丝（钟表里的弹性元件）取代了原始钟摆，为后来的可携带钟表的创造提供了条件。
18世纪，科学家们发明了各种各样的擒纵机构，为袋表的产生与发展奠定了基础。19世纪出现了大批的钟表生产厂家，钟表制造业已经逐步发展为工业化生产，并达到了相当高的水平。