为什么指南针指向南方？
指南针的发明是我国劳动人民在长期实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触到了磁铁矿，并开始了解它的磁性。人们首先发现了磁铁吸引铁的性质。后来发现了磁铁的指向性。经过多次实验和研究，终于发明了一种实用的指南针。
磁现象的发现
在先秦时代，我们的祖先已经积累了很多这方面的知识，在勘探铁矿的时候经常会遇到磁铁矿，也就是磁铁矿(主要成分是四氧化三铁)。这些发现早已被记录下来。这些发现最早记载在《管子》的几篇文章中:“山上有磁石，下有金铜。”其他古籍也有类似记载，如《山海经》。磁铁的吸铁特性早就被发现了，《吕氏春秋》九卷主篇有:“慈吸铁，或吸之。”当时人们把“磁性”称为“善良”。他们认为磁铁吸引铁是慈母对孩子的吸引力。并认为:“石头是铁之母，但石头有善良和不善良两种。善良可以吸引他的孩子，不善良不行。”
汉代以前，人们把磁石写成“观世音石”，意为爱石。
既然磁铁能吸引铁，那它们能吸引其他金属吗？我们的祖先做了很多尝试，发现磁铁不仅不能吸引金、银、铜等金属，也不能吸引砖瓦。西汉时期，人们认识到磁铁只能吸引铁，不能吸引其他物体。
当两块磁铁放在一起并相互靠近时，有时它们相互吸引，有时它们相互排斥。现在人们都知道磁铁有两极，一个叫N极，一个叫S极。同性相斥，异性相吸。当时人们并不知道这个道理，但还是能感知到这个现象。
西汉时，有一位炼丹师，名叫栾达。他利用磁铁的这一特性制作了类似两个棋子的东西。通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时又相互排斥。栾大称之为“斗棋”。他把这部小说献给汉武帝，现场演示。汉武帝又惊又喜。他被评为“五福将军”。栾大力利用磁铁的性质，做出新奇的东西来欺骗汉武帝。
地球也是一块大磁铁，它的两极分别靠近地理南极和地理北极。因此，当地球表面的磁铁可以自由旋转时，由于磁铁同极性相斥，反极性相吸的性质，它们会表示南北。古人不懂这个道理，但对这种现象非常了解。
指南针的始祖——新浪
指南针的始祖出现在战国时期。它是由天然磁铁制成的。它看起来像一个圆底的勺子，可以放在光滑的“场地”上保持平衡，可以自由旋转。当它静止时，勺子的柄会指向南方。古人称之为“司南”，在当时的《韩非子》一书中有:“王力司南取时先。”“早晚收场”的意思是方，东方。《鬼谷子》中记载了新浪的应用，郑人采玉时带着新浪，以确保不迷路。
春秋时期，人们已经可以将硬度为5-7度的软玉、硬玉打磨成各种形状，因此也可以用硬度只有5.5-6.5度的天然磁铁来制作司南。东汉王充在《论衡》一书中对司南的形状和用法做了明确的记载。新浪是经过琢磨用一整块天然磁铁做成的，勺子的手柄经过极导，使整个勺子的重心正好落在勺子底部的正中间，勺子放在一个光滑的场地，周围是一个四维的茎干和树枝，合成24个方向。这个设计是古人仔细观察了自然界中许多与磁性有关的现象，积累了大量的知识和经验后，经过长期研究完成的。新浪的出现是人们对磁铁手指极性认识的实际应用。
但是，新浪也有很多缺陷。天然磁铁不好找，加工过程中受冲击受热容易失磁。所以新浪的磁性比较弱，与站点的接触要非常顺畅，否则会因为摩擦阻力过大而难以转动，达不到预期的引导效果。而且新浪有一定的体积和重量，不方便携带，这可能是新浪长期没有被广泛使用的主要原因。
新浪由一个青铜圆盘和一个天然磁铁制成的磁勺组成。青铜盘刻有24个方向，磁勺放在盘的中心圆形面上。当它静止时，勺子的尾部指向南方。
指南针的发明
在古代，人们常把薄薄的铁叶切成鱼的形状，鱼的腹部略凹，像一只小船。磁化后浮在水面，可指南北。那时候是当游戏用的。东晋的崔宝曾在《古今笔记》中提到过这种“导盲鱼”。
北宋曾公亮在《五经总论》中载有导鱼的制作和使用方法:“以薄铁叶割之，长二寸，宽五分，头尾如鱼之尖，以炭火烧之。侯同池，以铁镬、铁锅鱼为初火，尾正，蘸盆，密器止。使用时，把水碗平放在无风的地方，鱼就会浮在水面上，它的第一个方向永远是正午。”这是一种人工磁化方法，利用地球磁场来磁化铁片。也就是把烧红的铁片放在子午线方向。炽热的铁片内部的分子处于相对活跃的状态，使得铁分子沿着地球磁场的方向排列，达到磁化的目的。这种排列可以通过将其浸入水中来快速固定，并且可以通过将鱼尾稍微向下倾斜来增加磁化程度。人工磁化法的发明对指南针的应用和发展起到了巨大的作用。这也是磁学和地磁发展史上的一件大事。北宋沈括在《孟茜笔谈》中提到了另一种人工磁化的方法:“方家可以用磁铁引导。”据沈括介绍，当时的技术人员用磁铁摩擦缝衣针，使针具有磁性。从现在来看，这是一种利用天然磁铁的磁场，使钢针内磁畴的排列趋向某一方向，从而使钢针呈现磁性的方法。这种方法比地磁法简单，磁化效果比地磁法好。摩擦法的发明不仅是世界上最早的，也为实用磁指向仪的出现创造了条件。
沈括在《孟茜笔谈·补谈》中也谈到了摩擦法磁化过程中的各种现象:“若用磁石针锋相对，则锐而总导，有人指北方，而不怕石头...相反，应该有南北差异，这一点还没有深入研究。”也就是说，用磁铁摩擦缝衣针后，有时会针锋相对地指向北方。从现在来看，所有的磁铁都有N和s两个磁极，磁化时缝纫针的朝向不同，所以磁化后的方向也不同。但是沈括并不知道这个道理。他真实记录了这一现象，并坦率承认自己没有深入思考。希望后人能进一步探索。
关于磁针的安装方法，沈括介绍了四种方法:
1.水漂——在磁针上放几根灯芯让它浮在水面上，就可以指示方向了。
2.碗唇旋转法——将磁针放在碗口边缘，磁针可以旋转指示方向。
3.指甲旋转法——把磁针放在指甲上。由于指甲表面光滑，磁针可以自由旋转，指示方向。
4.暮光挂法——在磁针中间涂上一些蜡，粘上一根丝，挂在无风的地方指明方向。
沈括也比较了四种方法。他指出，水浮法最大的缺点是水面容易晃动，影响测量结果。碗唇旋转和指甲旋转因为摩擦力小所以灵活，但是容易脱落。沈括强调悬挂法，他认为这是一种理想而实用的方法。实际上，沈括指出的四种方法已经概括了迄今为止指南针装置的两种体系——水针和干针。
《孟茜笔谈》是沈括(1031—1095)写的一部关于中国古代科技的书，书中谈到了磁学和指南针的一些问题。
南宋时，陈在《广记》中介绍了另一种导鱼、导龟的制作方法。这种无指鱼和《武经通论》中记载的不一样。用手指大的木头雕刻成鱼的形状。在木鱼的肚子里放一块天然磁铁，磁铁的S极指向鱼的头部。用蜡封住后，从鱼的口中插入一根针，就成了无指鱼。把它浮在水面上，一个鱼头导，也是水针的一种。
导游龟在当时是一种流行的新设备。在木龟的腹部放置一块天然磁铁，在木龟的腹部下方挖一个光滑的洞，并将其对齐，放在一个尖尖的竹钉上，竹钉直立在木板上，这样木龟就被放置在一个固定的可自由旋转的支点上。因为支点处的摩擦力很小，所以木龟可以自由转动导轨。当时不是用来导航的，是用来幻术的。但这是后来出现的干旱罗盘的前身。
导游龟发明的时间不晚于1325。木块雕刻成乌龟形状，在乌龟腹部中央嵌有磁铁。木龟被放在一根尖尖的立柱上，静止时分别指向南北。
罗盘定位
为了确定方向，除了指南针，还需要有方位盘配合。最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘。随着方位测量的需要，出现了磁针和方位盘一体化的罗盘。罗盘包括风水罗盘、水罗盘和干旱罗盘。
方位盘面还是24个方向，但是盘面已经从方形演变成了圆形。这样，只要看方位板上磁针的位置就可以确定方位。南宋时，曾三益在《银华录》中记载了这方面的文献:“田螺或有子午针，或在子午针间缝一针。”这是关于指南针的最早文献。文献中提到的“地螺”就是地螺，也就是指南针。磁偏角的知识在文献中已经应用到指南针上。这种罗盘不仅有子午针(决定地磁场南北极方向的磁针)，还有子午针(由日影决定的南北极地理方向)。这两个方向之间的夹角就是磁偏角。
圆盘周围刻二十四个方向，里面装水。磁针穿过灯草，漂浮在水面上。
现在知道地球的两个磁极只是靠近地理上的北极和南极，并不重合。磁针指向的是地球的磁极而不是地理上的南北极，所以磁针指向的是稍微偏离而不是正南正北的方向。这个角度叫做磁偏角。因为地球几乎是球形的，磁针指向磁极时会向下倾斜，与水平方向有一个角度，称为磁倾角。不同位置的磁偏角和磁倾角是不同的。北宋《吴要》在论述用地磁方法制作罗盘时，注意到了磁倾角的运用。沈括在《孟茜笔谈》中谈到了不完整的罗盘，它常常是略偏东的。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁倾角的发现使指南针指向更加准确。
磁性的应用
指南针一经发明，就迅速应用于军事、生产、日常生活、地形测量等各个方面，尤其是航海。指南针在航海中的应用有一个逐渐发展的过程。比《孟茜笔谈》稍晚的《周萍客谈》中记载:“船师通地理，但夜观星宿，昼观太阳，暗观罗盘。”这是世界航海史上最早使用指南针的记录。指出指南针只有在当时看不到太阳、月亮、星星的情况下才使用，说明指南针刚开始使用时并不熟练。20多年后，许婧的《玄鹤峰李志高图经》也有类似记载:“只望群星，若阴郁，用导浮针拍击南北。”在元朝，指南针成为海上导航最重要的工具。无论晴天还是阴天，我都用指南针导航。而且还编制了使用罗经导航的不同航行地点的罗经针位连接图，称之为“针路”当船舶行驶到某一地点时，针位的方向和沿途的路线都被明确标示出来，作为航行的依据。
指南针的发明是古代先民对磁现象观察和研究的结果。在观察和研究磁现象的过程中，古代先民进一步了解了磁性的性质，并试图更多地应用这些性质。传说秦始皇修建阿房宫时，其中一个宫门是用磁铁做的。如果一个刺客拿着剑经过，他会立刻被卫兵抓住。这样的故事还有很多。《晋书·马龙传》记载，马龙率部西进甘肃、陕西，在敌人必经的羊肠小道两侧堆积磁铁。当穿着真甲的敌兵经过时，被牢牢吸住，动弹不得。马龙的士兵穿着犀牛甲，磁铁对他们没有影响，可以自由行动。敌人以为法宝不战而退。东汉时期的《异物志》中记载，南海诸岛周围有一些暗礁、浅滩中含有磁铁，磁铁经常吸引“被铁叶遮挡”的船只，使其难以出航。
在魏晋南北朝时期，我们的祖先已经有了很多关于磁铁性质的知识。就连当时的诗人曹植也在焦植的诗中用了“磁石吸铁，黄金不相连”。句子。可以看出他也了解磁铁的性质。梁南北朝陶弘景在《名医录》中提出了磁测法。他指出，优秀的磁铁产于南方，磁性很强，能吸引三四根铁针，这样磁铁上就能首尾相连挂几根针。磁性更强的磁铁可以吸引十多根铁针，甚至可以装下一两斤刀。陶弘景不仅指出了磁性有强有弱，还指出了测量方法。这可能是世界上最早的磁测量记录。
我们的祖先对磁铁性质的研究和认识是指南针发明和发展的基础。