北宋初年，由曾公亮主编的一部军事著作《武经总要》和由著名的科学家沈括撰写的《梦溪笔谈》里，分别说明指南鱼和指南针。指南鱼是用薄铁叶裁成鱼形，然后用地磁场磁化法，使它带有磁性，在行军需要的时候，把它浮在水面，铁叶鱼就能指南。但是这种方法获得的磁体磁性比较弱，实用价值比较小。另一种指向仪器是指南针，它以天然磁石摩擦钢针制成。钢针经磁石摩擦之后，便被磁化，也同样可以指南。沈括在《梦溪笔谈》里说："方家以磁石摩针锋，则能指南。"似乎所有的指南针都是采用这种人工磁化法制成的。以后各种名目繁多的磁性指向仪器，就都以这种磁针为主体，只是磁针的形状和装置法有些变化罢了。
沈括亲自做了四种实验，把磁针横贯在灯心草浮水上，架在碗沿或指甲上，以及用缕丝悬挂起来。
南宋陈元靓所撰的《事林广记》中，还介绍了当时民间曾经流行的有关指南针的另外两种装置形式，就是木刻的指南鱼和木刻的指南龟。木刻指南鱼是把一块天然石塞进木鱼腹里，让木鱼浮在水上而指南。
指南龟
木刻指南龟，原理和木刻指南鱼相同，它的石也是安在木龟腹里，但是它有比木鱼更加独特的装置法，就是在木龟的腹部下方挖一小穴，然后把木龟安在竹钉子上，让它自由转动。这就是说，给木龟设置一个固定的支点。拨转木龟，待它静止之后，就会南北指。在使用司南时需要有地盘配合。最初，人们使用指南针指向，可能是没有固定的方位地盘的，沈括所记载的几种方法，都没有方位盘。
罗盘
不久之后，发展成装有磁针和刻有方位的圆盘，名为罗盘。方位盘仍是二十四向，但是盘式已经由方形演变成圆形。罗盘的出现，无疑是指南针发展史上的一大进步，只要一看磁针在方位盘上的位置，就能定出方位来。关于记载罗盘的文献，最早见于南宋时。曾三异在《因话录》中写出："地螺或有子午正针，或用子午丙壬间缝针。"这里说的"地螺"，就是罗盘，也是堪舆家用的罗盘。这时候已经把磁偏角的知识应用到罗盘上。
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