水浮法指南针
水浮法指南针是中国古代四大发明之一——指南针的早期应用形态，其历史可追溯至北宋时期。沈括在《梦溪笔谈》中系统总结了包括水浮法在内的四种指南针制作方法。地球是一个巨大的磁体，其南北磁极与地理南北极存在偏差（地磁偏角）。通过摩擦磁铁或地磁感应法，使钢针磁化成为小磁体，磁针两端分别指向地磁南极（地理北极附近）和地磁北极（地理南极附近）。将磁针置于水面，利用水的浮力减少摩擦，使磁针自由旋转并稳定指向南北。这一设计解决了早期司南（天然磁石勺）体积大、磁性弱、易受震动干扰的问题。
磁学的突破性研究
首 次系统记录“以磁石磨针锋”的磁针制作方法，使指南针的普及成为可能。通过实验对比水浮法、碗沿法、指甲法和悬丝法四种装置，指出悬丝法（将磁针悬挂于蚕丝上）稳定性最佳。
通过精确观测磁针指向，提出“磁针能指南，然常微偏东”的结论，比哥伦布1492年发现磁偏角早400余年。这一成果不仅修正了传统方位测量误差，还为后世地磁学研究提供了关键数据。
原文（节选）：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。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。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南、北者皆有之。磁石之指南，犹柏之指西，莫可原其理。” ——《梦溪笔谈》卷二十四《杂志一》
从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的发明不但世界最早，而且为有实用价值的磁指向器的出现，创造了条件。 这是说，用磁石去摩擦缝衣针后，针锋有时指南，也有时指北。从现在的观点来看，磁石都有N和S两个极，磁化时缝衣针针锋的方位不同，则磁化后的指向也就不同。 但沈括并不知道这个道理，他真实的记录了这个现象并坦白承认自己没有做深入思考。以期望后人能进一步探讨。
沈括在电学现象的记录中隐含了对材料导电性的认知：他观察到雷电击中金属（如铜镜、刀剑）时，电流通过导致金属熔化，而木材、漆器等非导体仅受热传导影响，未直接损毁。例如，雷击后“漆器银扣者，银熔而漆器不焦”，明确区分了导体（银）与绝缘体（漆）的差异。
光学：成像原理与实用技术的探索
描 述小孔成像“光如琴弦穿穴而过”的直线传播现象。发现凹面镜焦点（“碍”）的位置，提出“离镜面愈远，所照愈小”的成像规律，与现代几何光学原理一致。
针对汉代透光铜镜（背面花纹在光照下投射到墙面），沈括推测其透光源于铸造时薄厚不均导致的镜面微曲，使得反射光分布形成图案。这一推论虽未完全揭示物理机制，但启发了后世研究，被认为是金属表面应力与光学效应的早期探索。《梦溪笔谈》中记载的光学知识原文及解析如下：
原文（节选）：“世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字，字极古，莫能读。以鉴承日光，则背文及二十字皆透在屋壁上，了了分明。人有原其理，以为铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多。文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。予观之，理诚如是。然余家有三鉴，又见他家所藏，皆是一样，文画铭字无纤异者，形制甚古。唯此一样光透，其他鉴虽至薄者皆莫能透。意古人别自有术。” ——《梦溪笔谈》《器用》
世间有一种透光铜镜，铜镜背面有铭文，共有二十个字，字体极其古老，没人能读出来。用铜镜承受日光，背面的花纹和二十个字就会透射在房屋的墙壁上，清清楚楚。有人推究其中的道理，认为是铸造时薄的地方先冷却，只有背面的铭文处稍微厚一些，冷却得晚，铜收缩得更多。铭文虽然在背面，但镜面上隐隐约约有痕迹，所以在光中显现出来。我看来看去，觉得道理确实如此。但我家有三面铜镜，又见别人家所收藏的铜镜，都是一个模样，图案铭文没有丝毫差异，形制甚古。只有这种能透光，其他铜镜即使最薄的也不能透光。想来古人自有独特的工艺。
首次记载用红油伞过滤日光以观察尸体伤痕的方法，成为中国早期滤光技术的实践案例。
沈括提出“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”，指出彩虹是日光通过雨滴折射、反射形成的色散现象，这一结论与现代光学中的彩虹形成机制一致。
在《梦溪笔谈》中，他通过涂粉球体模拟月相变化，用“侧视如钩，对视正圆”的直观方法解释光的投影规律。这种实验方法被用于阐释其他光学现象，例如小孔成像的直线传播特性。
声学：共振现象与地声学的开创性实验
声 学领域的贡献兼具理论深度与实验创新，其研究成果不仅早于西方数百年，还奠定了现代声学理论的基础。
《梦溪笔谈》中阐述的声学知识，包括关于乐律，古乐钟的发声，古琴的制作和传声、共鸣等等，并记载了一个作者精心设计的共振实验。由于弦振动比较微弱，不易观察，他剪了一些纸人放在弦上来做试验。他写道：
原文（节选）：“琴瑟皆有应声：宫弦则应少宫，商弦则应少商，其余皆隔四相应。今曲中有声者，须依此用之。欲知此应者，先调弦令和声，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。” ——《梦溪笔谈》《补笔谈》
他放一个剪好的小纸人放在少宫或少商弦上，当拨动宫弦或商弦时，在少宫、少商弦上的纸人就跳动了起来，但是拨动其它音调不同的弦时，纸人却一动不动。沈括又在不同的琴上进行实验，他把将纸人放置在另一个乐器上，当两者的发声频率出现相同时，弹动琴弦时，放在另一乐器相应声调位置上的纸人，便跳舞般地摆动着。通过这个实验，沈括充分证明了一个道理：当一个发声体发生振动时，与之频率相同的发声体也会随之振动。沈括称这种现象为“应声”，现代物理学叫“共振”。
沈括通过观察士兵使用皮革箭袋作枕头的现象，提出声波传播的空腔放大理论：声波通过地面传播时衰减较小，箭袋与地面接触增强了振动传递效率。箭袋内部的封闭空间形成共鸣腔，对特定频率声波产生放大作用，类似现代声学中的亥姆霍兹共振原理。这一发现为古代军事侦察和地震前兆探测提供了技术启示，例如通过监听地声异常预测自然灾害。沈括对封闭腔体声学特性的研究，可视为亥姆霍兹共鸣器原理的雏形。
