指南针从“理”到“文”——从物理学出发进行“文理综合”的探索，本文主要内容关键词为：文理论文,指南针论文,物理学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
指南针是中国古代的四大发明之一，这是小学生都知道的事，似乎没有什么可以多讲的。然而，本文以“指南针”为核心凝聚有关的知识，却可以串联天文、地理，综合物理、化学，议论政治、历史，趣谈外语、中文。我们认为，高考“3＋X”中的理科综合或文理综合，不应该是拼盘式的混合物，而应是以某个学科“有机物”基本知识点为凝结核心，来凝聚各科知识。
1 指南针的发展史
中国是世界上最早知道天然磁石具有吸铁性和指向性的国家。早在公元前3世纪， 就有用天然磁铁矿琢磨成勺状使之可指向的记载（《韩非子·有度》），并将其称之为“司南”。司南外形像勺，下面置一平滑的铜盘（叫‘地盘’），盘上刻有24个方位。磁勺可以在盘上自由转动，停止后勺柄的一头指南。由于勺形司南与地盘之间的摩擦力较大，会影响到它指向的精确性。为了克服司南的缺点，人们在探索与不断的改进中，终于发明了针状的“指南针”。它被细丝悬挂着，或被一尖头顶着，转动起来非常灵活。
【例1】北宋著名学者沈括在1086年成书的名著《梦溪笔谈》中， 介绍了制作指南针的几种方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南。……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。”请用白话文“翻译”这段话，并加以分析。
（点评：这道解答题通过白话文的“翻译”，巧妙地把指南针的制作与语文联系起来了，但它又不脱离物理本质。）
古代人们在茫茫大海上航行时，白天需要凭太阳的升落，晚上需要凭北极星的方位来辨别方向。若遇上乌云遮住了星空和太阳，水手们就不知所措了。古代中国人发明的指南针解决了一天到晚、一年四季在海上航行时的定向问题，为远洋航行创造了条件。在中国，12世纪初成书的《萍州可谈》等著作中，都写到指南针已用于航海。宋元时期，中国的海上交通和对外贸易十分发达，指南针通过远航的水手传给了阿拉伯人和波斯人，又通过他们再传到欧洲。到13世纪时，欧洲才开始有航海中使用指南针的记载。马克思高度评价了火药、指南针、印刷术的发明和传入欧洲，认为“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。”
【例2】指南针的发明极大地促进了航海事业的发展， 催生了资本主义社会的来临，这生动地体现出
A.人民是创造历史的主人
B.科学技术是第一生产力
C.世界经济正一体化
D.人才是最宝贵的
（点评：通过指南针的历史作用，联系到邓小平理论。）
2 指南针为什么会“指南”
指南针能指南是因为地球有一个较强的磁场，也有南、北两个磁极。当指南针处在地磁场中时，它的北极因受到地磁南极的吸引而“指南”。值得注意的是，地磁南北极与地理南北极并不重合，而是有一定的偏离，这使得地磁子午线与地理子午线之间存在一个夹角，叫“磁偏角”。早在公元11世纪，沈括就发现了磁偏角现象，他在《梦溪笔谈》中写道：“磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”
【例3】据预测人类将在21世纪登上火星， 试问登上火星的宇航员能依靠指南针来导向吗？为什么？（答案：要依据火星的磁场强度而定。）
（点评：这道题很有点“出乎意料”。要答出这道题起码要明确两点：一是指南针能“指南”是因为地球有足够强的地磁场，能使指南针转动；二是并非什么星球都有磁场的，即使有也未必强到能使指南针转动。）
地磁现象除磁偏角外，还有“地磁异常”。地球上的岩石就其成因而论可分成两大类，一类是火山爆发流出的岩浆冷凝而成的岩浆岩，另一类是河流中的泥沙沉积而成的沉积岩。有些岩浆岩中有较多的磁性物质，在这些岩石富集的地方磁性较强。这个附加的磁场会引起当地的地磁场的变化，这叫“地磁异常”。反过来看，凡有地磁异常的地方，往往富集着磁性较强的磁铁矿之类的矿物，可以通过“地磁勘探”来发现矿藏。
【例4】（1）1954年， 我国一支地质探矿队在山东某地一面积约4万平方千米的地区，发现该地区的地磁场强度出现较大异常。在地磁正常地区，每向北走1千米，地磁场强度的变化只有10[－8]特左右；在这个地区每向北走1千米，地磁场强度的变化达到10[－5]特，是正常值的1000倍。据此，勘探队推测该地区地下可能蕴藏着
A.铜矿 B.煤矿 C.铁矿 D.石油
（2）地球上某些地区的物质密度较大， 会出现该地区重力加速度增大的“重力异常”现象。试比照地磁勘探的原理，说明“重力探矿”的原理。
（点评：本题的后半题是物理的“学科内综合”，由“地磁异常”外推到“重力异常”，是锻炼学生的联想能力，这点在综合能力培养上特别重要。）
3 指南针是用什么材料做的
古代的指南针是用天然磁铁矿石（磁石）打磨而成的。人类学会炼铁后，用天然磁石摩擦（沿同一方向）纯铁针，也能使铁针带上磁性。在中国的春秋战国时代，便有了“慈石”的称呼，以及“慈石召铁”的记载。古希腊思想家泰勒斯曾研究过一种矿物的吸铁现象（遗憾的是他没有发现它的指向性），由于这种矿石来自小亚细亚城市马格尼西亚（Magnesia），因此他把这种矿物称为“Magnes”，这就是今天Magnet（磁铁）一词的由来。
【例5】中国古代形象地把磁石称为“慈石”是因为
A.磁石具有坚硬的质地
B.磁石能发出五彩的光芒
C.磁石能发出诱人的香气
D.磁石吸铁尤如慈母爱子
（点评：从“慈石”和“Magnet”的起源，介绍一些词源学知识，这是很有新意的。）
磁铁矿的化学式是FeO·Fe[,2]O[,3]或Fe[,3]O[,4]，它是铁氧体的一种。所谓“铁氧体”是指以氧化铁（Fe[,2]O[,3] ）为重要成分的磁性复合氧化物，例如，NiFe[,2]O[,4]、BaFe[,12]O[,19]、YFeO[,3]等等。由此可见，除铁以外，镍（Ni）、钡（Ba）、钇（Y）等元素也有磁性。70年代，人们发现稀土元素中的钕（Nb）等元素具有很强的磁性，最终开发出“钕铁硼”这样的新一代强磁材料。我国的稀土矿蕴藏量占世界第一位，我国的稀土材料的产量占世界的80％，是名副其实的“稀土大国”。
【例6】我国的稀土材料生产主要集中在内蒙古地区， 那里有丰富的铁矿，所以建了个包头钢铁厂。自从在炼钢厂的炉碴里发现了稀土元素后，稀土材料的生产值反而比钢铁生产值高得多。试用矛盾论的思想来解释这一现象。
（点评：矛盾对立的双方在一定条件下可以相互转化，炼钢厂的副业即稀土材料在市场急需的条件下，转变为主业了。）
通常所见的人造磁铁有两类：一类叫“永磁铁”，是用碳钢、合金钢做成的，一旦被磁化后其磁性不易消失。但是，当其温度超过某个特定温度值（叫‘居里点’）时，它的磁性将消失。铁的居里点为769 ℃。另一类叫“电磁铁”，它由一个激磁线圈和铁芯组成，铁芯用软磁材料（纯铁、硅钢片）做成。当线圈中通电时铁芯被磁化，不通电时铁芯的磁性基本消失。
【例7】轧钢厂一般都用大型电磁铁搬运钢材，但是， 刚浇铸好的钢锭（其现场温度超过1000℃）是不能用电磁铁搬运的，为什么？
答案：电磁铁能搬运冷却的钢材，是因为电磁铁能把待运走的钢材磁化，从而彼此吸引住一起搬运到指定地点。刚浇铸好的钢锭，因其本身温度约为1000℃，超过了居里点，它的磁性消失了。因此，电磁铁吸不住它。
（点评：钢铁厂用电磁铁搬运钢材这件事很多人都知道，但由于没有居里点的概念，所以不知道电磁铁搬运钢材还有‘禁区’。通过这个例子可以让学生们知道，任何新技术都有个适用的范围，超出这个范围这种技术就不行了。）
4 鸽子体内有“指南针”吗？
信鸽传书古已有之，往返千里的信鸽是怎么认得路的？长期以来这是个谜，它激励着热爱科学、喜欢探索的人们去深入研究。先是有人认为是鸽子眼神好，再加上它的记忆力惊人，所以能沿原路返回。对此持怀疑态度的人做了这样的实验：把鸽子装入严密遮挡的笼子内，运到远方而陌生的地方放飞，结果鸽子照样能飞回家。这说明鸽子回家与眼睛的视觉好坏无关。
随着对地磁现象研究的深入，不少科学家提出了鸽子是利用地磁场导航的假设，为了证实这种假设，有人做了对比实验。找两只同一种类且身体健康的鸽子，在它们身上分别缚上一根小磁棒和一根小铜棒。再把这两只鸽子运到外地，在晴天或阴天两种情况下同时放飞。实验结果是：（1）在阴天放飞时，带铜棒的鸽子回到家中， 带磁棒的鸽子朝四面八方乱飞；（2）在晴天放飞时，这两只鸽子都能飞回家。
【例8】就上述实验阴天、晴天两种放飞结果， 对鸽子是否依靠地磁场导航作出分析。
答案：（1）阴天放飞的结果表明， 带磁棒的鸽子之所以失去回家的方向，是因为小磁棒的磁场干扰了它周围的地磁场。由此证明地磁场确实对鸽子的飞行有导航作用；（2）晴天放飞的结果表明， 地磁场并非是鸽子飞行唯一的“导航台”，太阳光的导航作用比它更强。带磁棒的鸽子的飞行虽然受到小磁棒磁场的干扰，但是它依靠太阳光的导航作用，依然能飞回家。在阴天太阳光被遮或将它的眼睛遮起来的情况下，地磁场对鸽子的导航作用才上升到主要地位；（3 ）另一只鸽子为什么要带小铜棒？一是使两只鸽子的负重一样，二是大气中有电场，它能在铜棒上感应出一个电场来，以研究电场对鸽子飞行是否有影响。
（点评：这是一道研究型练习题，让学生应用所学知识进行严密的逻辑推理分析，对提高他们的综合能力大有好处。这个题目还可以延伸下去。地磁场对鸽子的飞行有导航作用是肯定的，那么，鸽子身上的“指南针”在哪里？它又是怎样指挥鸽子飞行的？教师可以引导学生去查阅有关生物磁学的参考书。）