沈括记录了人工磁化的方法,并用人工磁化针来作试验,对指南针进行深入研究。
沈括比较了指南针的四种装置方法:水浮法,碗沿法,指甲法和悬丝法,指出悬丝法最优,并做了相应的分析。
磁偏角指地球表面任一点的地磁子午线与地理子午线的夹角,即磁针静止时,所指的北方与真正北方的夹角。
沈括在世界上最早经实验证明了磁针“能指南,然常微偏东”,即地磁的南北极与地理的南北极并不完全重合,存在磁偏角。
在光学上面,沈括通过观察实验,对小孔成像、凹面镜成像等原理作了准确而生动的描述,他用“碍”的概念,碍也就是现在的焦点,指出了光的直线传播、凹面镜成像的规律,并把光通过“碍”成像称之为格术,即现代光学中的等角空间变换关系。
沈括还对平面、凹凸面等镜面成像的不同进行研究,注意到表面曲率不同与成像之间的关系,并以此对“古人铸鉴”时正确处理镜面凹凸与成像大小的关系进行了研究与分析,提出若将小平面镜磨凸,就可“全纳人面”。
在声学上面,沈括通过对声学现象的观察,注意到音调的高低由振动频率决定,并记录下了声音的共鸣现象,这比西方早了五百年。
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在化学上面,沈括更是牛叉。
这也是扶苏最为看重的地方。
据沈括《梦溪笔谈》记载,信州铅山县有苦泉,也就是现在的硫酸铜溶液、流而成涧。
舀取泉水煎熬,就能得到胆矾,也就是硫酸铜,熬制胆矾就能生成铜,熬胆矾的铁锅,日子久了也会变成铜。沈括的这段记录,即湿法炼铜,利用化学置换反应的方式提炼金属。
胆矾化铁成铜的记载古已有之,西汉淮南王刘安《淮南万毕术》、东晋葛洪《抱朴子》均有类似记载。
据郭正谊考证,沈括的记载录自中唐时期成书的《丹房镜源》。
但直到宋哲宗绍圣五年,张潜主动将《浸铜要略》献给朝廷,在北宋政府的大力提倡下,胆铜法生产才被迅速推广开来。
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沈括还曾经用过“石油制墨”。
世界上最早记载有关石油的文字,见于东汉史学家班固所著的《汉书》。
在华夏的历史上,石油曾被称为石漆、膏油、肥、石脂、脂水、可燃水等等,直到北宋,沈括才在世界上第一次提出了“石油”这一科学的命名。
据沈括记载,鄜州、延州境内产石油,当地人常采集到瓦罐里,用于照明。这种油形似纯漆,燃起来像烧麻杆,并冒着很浓的烟,能把帐篷都熏黑。
沈括将其命名为石油,并以石油碳黑制墨,光泽、亮度方面都很理想,于是就大量制造,并命名为“延川石液”,苏轼用后评价“在松烟之上”。
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除此之外,沈括还在天文上面取得了杰出的成就,改进了浑天仪,沈括对漏壶也进行了改革,把曲筒铜漏管改做直颈玉嘴,并且把它的位置移到壶体下部。这样流水更加通畅,壶嘴也坚固耐用多了。
沈括还制造了测日影的圭表,他意识到了蒙气差对测量精度的影响,主张采用三个候影表来观测影差,以克服蒙气差对精度的影响,据此制成的新式圭表,提高了北宋圭表测影的技术水平。
沈括还用晷、漏观测发现了真太阳日有长有短。经现代科学测算,一年中真太阳日的极大值与极小值之差仅为五十一秒。
沈括还详细观察了五星运行轨迹和陨石坠落时的情景;并为测量北极星与北天极的真实距离设计了窥管,每夜三次,连续三月,得二百余图,得出当时极星“离天极三度有余”的粗测结论。
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