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「 ”四大发明”之中，指南针便利了人们的旅行，尤其使远距离的海上交通成为可能，促进了世界各地经济文化的交流，有力地加速了人类社会的进展。马克思把指南针和火药、印刷术三者，同称为「 ”预兆资产阶级社会到来的三项伟大发明”。指南针正是根据物理学上的磁学原理创制出来的，它的发明说明了我国古代有着丰富的磁学知识。 一、对磁体的认识 磁体是指具有磁性的物体，它有天然的和人造的两大类。四氧化三铁就是一种天然磁体，它具有比较明显的磁性，因此比较容易被人们所发现。 我国远在春秋时期，随着生产的发展，人们需要更多的金属材料，因此矿产的采掘和冶炼工业得到了蓬勃的发展。矿工们在铁矿的开采与加工中，常常和磁铁矿打交道，逐渐认识到它那奇妙的吸铁性质，因而给予特别的注意。 在《管子》等先秦古书中，曾有「 ”上有慈石者下有铜金”的记载。当时人们已觉察到磁石往往和铁矿储存在一块。 二、磁力的发现 在春秋战国时的著作中，便屡屡记载到磁体的吸铁性质了。如公元前三世纪的《吕氏春秋》上的「 ”磁石召铁”，时代相隔不远的《鬼谷子》上的「 ”磁石之取针”等都是。这个时候大概已经比较普遍地认识到磁性了，并且把它比作为慈爱的母亲对子女的吸引。 东汉的高诱在注释《吕氏春秋》时说：石是铁的母亲，但石又有慈和不慈的，慈爱的石，能吸引它的子女(铁)，不慈的石则不能吸引。所以汉以前都把磁石写成「 ”慈石”，就是「 ”慈爱的石头”的意思。 后来人们不免也用磁石试着去吸引其他的金属或物体，结果如何呢？ 西汉时期的《淮南子》一书写道：「 ”若以慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”，「 ”及其于铜则不通”。三国时有人也说：「 ”慈石不受曲针”。所谓「 ”曲针”，大约指的是金、银、铜之类金属的针，这当然是不受磁石吸引的。 这些记载，说明汉代已经认识到磁石只能吸引铁而不能吸引其他东西，这是一点前进。我们知道，磁体对铁只能是相吸，而磁体和磁体相近，情况就比较复杂一点。磁体总有两个极，一个叫做南极，另一个叫北极。凡是异性极相接近，互相吸引，凡是同性极相接近，则互相排斥。这个现象在西汉时期也被发见了。 当时有个「 ”方士”名叫栾大，搞了两个磁体，样子很象是棋子，互相接近，据说不但能够相吸(「 ”相抵”)，还能够「 ”相拒不休”，就是互相排斥。这就是所谓「 ”斗棋”的把戏，他把这个把戏表演给汉武帝看，可把那皇帝逗乐了，因此获得一个「 ”五利将军”的官位。 另外，在长期接触中，人们认识到磁体的磁性有强弱，有的磁体对铁的吸力大，有的小。公元五世纪，南北朝刘宋时代的著作《雷公炮炙论》里，按照吸铁重量的不等，把磁石分别命名。稍后，著名的医生、科学家陶弘景对此作了研究。他在《名医别录》中指出优质的磁石出产于南方，磁性很强，能连吸三根或四根铁针，就是使几根针首尾相连成一条线吸挂在磁体上。 他还指出，质量最好的磁石，甚至能连吸十根以上的铁针。陶弘景说这种优质的磁石能够吸住一、二斤重的铁刀。这不但指出了磁性有强弱之分，而且可以说是世界上关于磁力测量的最早的文字记载！ 三、磁屏的发现 磁体只能对铁族物质(铁、镍、钻)有力的作用，这种作用力是任何物质所不能阻隔的。磁力的这一特点，宋代的陈显微已经指出过，他说磁力可以「 ”隔碍相通”。张君房的《云笈七签》说得更明白，所谓「 ”磁石吸铁，间隔潜应”。在西洋，这个事实迟至1600年才为医生吉伯所发现，晚于我国600年。 磁力能不能透过一切的物质呢？奇怪的是，只有铁族物质倒能够阻隔磁力的作用，譬如我们坐在火车车厢里打开收音机，是不能收到无线电广播的。这就是因为电台发射过来的电磁波，被车厢的铁皮所阻隔，这叫做「 ”磁屏”作用。 这个奇特的规律，远在三百多年前就被发见了。清初一位名叫刘继庄的，在《广阳杂记》中记载着这样一件事：有人问他，什么东西可以阻隔磁石对铁的吸力。他的一位过房儿子名叫阿孺的代他回答说，只有铁可以阻隔。那人对此很感兴趣，回去就动手做试验，果然不差，十分高兴。第二次来说，他已经试过了，这是千真万确的。刘氏的这位世兄可是我国最早发现「 ”磁屏”的人。 四、磁性的解释 我们的祖先并不满足于获得这些感性知识，他们要深入地去探讨磁力的本质，要给磁力提出一种理论的解释。 远在西汉时期，唯心主义哲学家董仲舒就提出过这个问题，但无法解释，只说「 ”磁石取铁”，「 ”奇而可怪”，那道理是人们所不能了解的(「 ”非人所意也”)。到了东汉，唯物主义思想家王充，就富有创见地把「 ”磁石引针”与「 ”顿牟掇芥”两个现象紧紧地联系起来。这就是把磁现象和静电现象联系在一起，认为都是因为「 ”气性”相同，互相感动的结果。 到了宋代就有人试着用古代的阴阳五行理论去解释，认为「 ”磁石吸铁”是「 ”阴阳相感”，是「 ”神和气合”的结果。这些解释都是非常模糊的，也远远没有触到问题的本质，但是能够从铁和磁石之间内在的「 ”气”的联系去寻找原因，这个思想还是可贵的。要真正解决磁现象的本质问题，在古代由于科学水平的限制是不可能的。 五、磁体的指极性 什么叫做磁体的指极性呢？就是说，把一根磁体支挂起来，当它静止时，必然有一端指在北向，叫做北极，另一端指在南向，叫做南极。磁体的磁性主要就集中在这两个极上。 我们的祖先大约在战国时代发现了磁体的指极性。当时的著作《韩非子·有度篇》里就有「 ”先王立司南以端朝夕”的话。「 ”司南”就是指南的意思，「 ”端朝夕”就是正四方的意思。此后，在这方面有很多发明，到了明代的李豫亨记载过一件事：说一个姓汪的人，把一根普通的铁杖横着悬挂起来，用手一击，使之旋转，待静止后，铁杖必定指向南北。李氏自己也试验过，果然是真的。这里所说的实际上也是磁体的指极性问题。因为一根铁杖放到地球磁场里，久而久之受到感应，产生了磁性，成为磁体，因此表现出指极性来。 六、磁偏角和磁倾角的发见 地球的两个磁极和地理南北极只是「 ”接近”，并不完全重合。因此，磁针事实上也并不完全精确地指向正南北方而略微有偏，这个角度叫做磁偏角。因为地球是球形的，所以在北半球，磁针的北极必向下倾斜，和水平方向成一夹角，这个夹角叫做磁倾角。不同地点有不同大小的磁倾角和磁偏角。 磁倾角的存在，远在北宋初年就发现了。那时的一本军事书《武经总要》(完成于1044年)，在叙述人工磁化的时候就特别指出，被地磁场磁化的钢鱼，在加热之后，当浸到冷水时，要使鱼尾略向下倾。这是意识到我国的地磁力略有倾斜，故使鱼尾下倾，正对磁力，可以充分发挥地球磁力的作用，使钢鱼更好地被磁化。我国各地的磁偏角虽然十分微小，但在北宋时代竞也被发现了。 ?沈括的《梦溪笔谈》中十分明确地记载说，磁针能够指南，但「 ”常微偏东，不全南也”。明白无误地说明了磁偏角是向东的。这是世界上关于磁偏角的最早记载。在后来的各个时期也都陆续有所记载。 至元明时代，甚至对不同地点磁偏角不同与同一地点不同时期有不同的磁偏角(这是因为地磁变化引起的)也有了发现，臂如明代的方以智就注意到我国的磁偏角使磁针偏东，罗马帝国的磁针则偏西，这不能不令人惊叹。 在欧洲，到了十三世纪才发现磁针指向并非正南北方，但当时他们多误解为磁针装置工艺上的缺点。到了1492年，哥仑布横渡大西洋，才真正发现了磁偏角，较我国迟了四百多年！ 从上面的介绍可以看出，从公元前四世纪开始，我国就发现了磁石能够吸铁，而且只能吸铁。后来，还能对磁性的强弱作定量的测量。从汉代开始，发现了磁体互相接近时，可能相吸，也可能相斥。清初发见了铁的「 ”磁屏”作用。磁体的指极性，远在战国时期就知道了，最晚在北宋就发现了磁偏角与磁倾角。
四大发明——造纸术
造纸是一项重要的化学工艺，纸的发明是中国在人类文化的传播和发展上，所做出的一项十分宝贵的贡献，是中国化学史上的一项重大的成就。
在纸还未发明之前，甲骨、竹简和绢帛是古代用来供书写、记载的材料。但由于西汉的经济、文化迅速发展，甲骨和竹简不能满足发展的需求，从而促使了书写工具的改进。
当时人们已开始应用小块的丝绵制成的纸，因为考古学家于1933年在新强罗布淖尔发现了一张古纸，它是”麻物、白色，作方块薄片，四周不完整，长约40厘米，宽约100厘米，质甚粗糙，不匀净，纸 面尚有麻筋，盖初做纸时所做，故不精细也〃由于古汉时的纸张是由麻缕和丝绵，加上制法粗糙，所以纸张的质量不太好。而麻缕和丝绵都有其本身的作用，如要把它们用作造纸的原料，就必然会受到很大的限制，而难以得到迅速的发展，来满足文化生活上对纸张的要求。
在新的客观形势要求下，蔡伦的出现便为造纸术带来新突破，在《东汉观记》卷二上记载：”蔡伦·有才学，尽忠重慎，每次休沐，闭门以绝宾客，曝体田野。典作尚方，造意用树皮及敝布、鱼网作纸。元兴元年奏上，帝善其能，自是莫不用，天下咸称蔡侯纸〃。从以上看来，蔡伦是用树皮、破布、鱼网造纸的。
虽然在蔡伦之前也有纸的存在，但是原料左身就有很大的局限，而蔡伦对新原料的发现，解决了这个问题。因为破布、破鱼网早已结束了它们本身的任务，成了废物而又用作做原料，对造纸工业起了极大的推动作用。
新原料的使用必然提出新技术的要求，但是由于典籍流失，实际的操作如何，已缺乏记载，无从考知，但大概是先张布或网撕破或剪断，然后放在水里浸渍相当长的时间并且需要加以舂捣，才能做成纸浆。用树皮做纸张，困难更大一些．除初步切短和后部舂捣外，中间还需要烹煮和加入石灰浆之类的促烂剂。下图是中国古代造纸工程之(抵压帘覆)及(干焙火烘)。
四大发明——火药
火药是中国四大发明之一。火药,顾名思义就是(着火的药)。它的起源与炼丹术有着密切的关系,是古代炼丹士在炼丹时无意中配制出来。左图为元代铜火铳。
它是硫黄,硝石,炭的混合物,而前两项在汉代成书的中国第一部药物学典籍(神农本草经)里都被列为重要的药材。就是火药本身也被归入药类,明代李时珍的(本草纲目)中说,火药能治疮癣,杀虫,辟湿气和瘟疫。火药的发明是人们长期炼丹,制药实践结果,至今已有一千多年历史。
唐朝末年,火药已被用于军事。唐昭宗天佑元年(904年)杨行密的军队围攻豫章,部将郑璠(以所部发机飞火,烧龙沙门,带领壮士突火先登入城,焦灼被体)<九国志?郑璠传>。这里所说的(飞火),就是(火炮),(火箭)之类。(火炮)是把火药制成环状,把吊线点燃后用抛石机抛掷出去;(火箭)则是把火药球缚于箭镞之下,将吊线点燃后用弓射出。到了宋代,戢争接连不断,促进火药武器的加速发展。北未政府建立了火药作坊,先后制造了火药箭,火炮等以燃烧性能为主的武器和(霹雳炮),(震天雷)等爆炸性较强的武器。南未在1259年造出了以巨竹为筒,内装火药的(突火枪)。到了元代又出现铜铸火统,称为(铜将军)。这些都是以火药的爆炸为推动力的武器,在戢争中颢示了前所未有威力。右图为南未突火枪。
在12,13世纪,火药首先传入阿拉伯国家,然后传到希腊和欧洲乃至世界各地。对人类社会的文明进步,对经济和科学文化的发展,起了推动作用。美法各国直到十四世纪中叶,才有应用火药和火器的记载。左图为北未火药箭。
四大发明—印刷术
印章、拓印、印染与雕版印刷
印章在先秦时就有，一般只有几个字，表示姓名，官职或机构。印文均刻成反体，有阴文、阳文之别。在纸没有出现之前，公文或书信都写在简牍上，写好之后，用绳扎好，在结扎处放粘性泥封结，将印章盖在泥上，称为泥封，泥封就是在泥上印刷，这是当时保密的一种手段。纸张出现之后，泥封演变为纸封，在几张公文纸的接缝处或公文纸袋的封口处盖印。据记载在北齐时（公元550~577年）有人把用于公文纸盖印的印章作得很大，很像一块小小的雕刻版了。
战国（公元前475-前221年）时期的铜印。
晋代著名炼丹家葛洪（公元284~363年）在他著的《抱朴子》中提到道家那时已用了四寸见方（13.5×13.5）有120个字的大木印了。这已经是一块小型的雕版了。
佛教徒为了使佛经更加生动，常把佛像印在佛经的卷首，这种手工木印比手绘省事得多。
碑石拓印技术对雕版印刷技术的发明很有启发作用。刻石的发明，历史很早。初唐在今陕西凤翔发现了十个石鼓，它是公元前8世纪春秋时秦国的石刻。秦始皇出巡，在重要的地方刻石7次。东汉以后，石碑盛行。汉灵帝四年（公元175年）蔡邕建议朝廷，在太学门前树立《诗经》、《尚书》、《周易》、《礼记》、《春秋》、《公羊传》、《论语》等七部儒家经典的石碑，共20.9万字，分刻于46块石碑上每碑高175、宽90、厚20厘米，容字5000，碑的正反面皆刻字。历时8年，全部刻成。成为当时读书人的经典。很多人争相抄写。后来特别是魏晋六朝时，有人趁看管不严或无人看管时，用纸将经文拓印下来，自用或出售。结果使其广为流传。
古人发现在石碑上盖一张微微湿润的纸，用软槌轻打，使纸陷入碑面文字凹下处，待纸干后再用布包上棉花，蘸上墨汁，在纸上轻轻拍打，纸面上就会留下黑地白字跟石碑一模一样的字迹。这样的方法比手抄简便、可靠。于是拓印就出现了。
拓片是印刷技术产生的重要条件之一。
印染技术对雕版印刷也有很大的启示作用，印染是在木板上刻出花纹图案，用染料印在布上。中国的印花板有凸纹板和镂空板两种。1972年湖南长沙马王堆一号汉墓（公元前165年左右）出土的两件印花纱就是用凸纹板印的。这种技术可能早于秦汉，而上溯至战国。纸发明后，这种技术就可能用于印刷方面，只要把布改成纸，把染料改成墨，印出来的东西，就成为雕版印刷品了。在敦煌石室中就有唐代凸板和镂空板纸印的佛像。
印章、拓印、印染技术三者相互启发，相互融合，再加上我国人民的经验和智慧，雕版印刷技术就应运而生了。
指南针
战国时代，我国人民利用磁铁造成了一种指示方向的工具，叫“司南”。“司南”就是指南的意思。
司南的形状和现在的指南针完全不同。它是根据我国古代的勺子的形状制成的，很象我们现在用的汤匙。
司南是怎样制成的呢？古书上缺少详细的记载，又没有实物留下来，所以我们没有办法知道它的准确形状。根据专家们的研究，司南大约是把整块的天然磁铁，轻轻地琢磨成勺子的形状，并且把它的S极琢磨成长柄，使重心落在圆而光滑的底部正中。拓片是印刷技术产生的重要条件之一。
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