指南针也叫作罗盘针，是一种磁针。它的中腰支在罗盘的中点，可以旋转自如，由于磁石的指极性，针向便自动指示南北。在罗盘针定型之前，经过了长时间的发明改进。
大约在战国末期，古人便已发现磁石和它的吸铁性。《管子》中说：「上有慈石者，其下有铜金。」所谓「慈石」就是磁石，可见至少2600年前的管仲时期，就已经知道磁石的存在了。《鬼谷子.反应篇》上说明磁石可以吸铁。
司南（指南针）雕塑
古时的指南工具：司南
古人发现磁石的指极性后，就开始利用它作指南的工具。古时的指南工具叫司南，在战国时期已普遍使用。《鬼谷子》中曾说，郑人去采玉时，一定带着司南，以免迷失方向。《韩非子》中也有关于司南的记载。王充《论衡》中肯定地说：「司南之杓，投之于地，其抵指南。」
司南（模型）
据我国的一些学者研究，知道司南是由一个用磁铁做成的勺（杓），和一个「栻（shi）」组成的。栻即罗经，外边方形木盘叫地盘，刻有天干、地支和八卦；中间圆形的叫天盘，也刻有天干，地支，另有十二个月名，是用木，或象牙、铜制成，光滑可以转动。据古书所说，将勺投在栻的天盘上，让它转动，停住时勺柄所指的方向便是南方。
司南复原图
在20世纪40年代末，我国学者王振铎曾制出司南的复制模型。在国内外产生广泛影响。1987年8月4日，上海《文汇报》第二版各地新闻栏报导：经研究后指出，《论衡》所说「司南之杓，投之于地」是「投之于池」之误，司南不是投在地盘上，而是投在水银池上，并做了模拟实验，证明其论点。
不论投之地或投之于池，远在2500年前左右，古人已掌握使用司南，这是不容置疑的史实了。
指南鱼与指南针
由于司南的使用，有条件的局限性，古人又不断研究出新的发明—用薄钢片剪成鱼形，长约二寸，宽约二分，磁化后浮在水碗中，便可指极，这是「指南鱼」。在使用过程中，不断改进，便出现了「指南针」替代「指南鱼」。
水浮法指南针
指南针是一枚磁化的小钢针，可以放在指甲上、碗边上转动，或在中间穿上小段灯草，浮在水碗里，都能灵活地指向南方。
航海上的应用
指南针是怎样开始应用到航海方面的？历史上的记载不是很清楚。但是，在魏、晋到隋、唐这段时间内，古人曾努力克服海上的风暴，展开南洋和印度洋上的和平贸易。
在这时期，指南针必然已应用在海舶上。一直到十一世纪末叶，博学的沈括在《梦溪笔谈》中，提出指南针的运用问题。在摇荡不定的航船上，把磁针放在手指或碗边上来定向，是容易滑落不是很方便的。他建议用蜡将单线缀在针腰，挂在空中，运用起来旋转比较方便。
指南针用法示意图
沈括的这种悬挂型指南针，便基本上确定了近代罗盘针的构造。沈括还科学地指出，磁针指示的方向，常常略微偏东，而不是绝对指南；这和近代科学的地磁偏差的观察，完全符合，足见古人观察事物的精密和认真。
宋朝朱彧所着《萍洲可谈》（公元1119年），是世界上关于航海使用罗盘针的最古记录。当时他在广州看见的中国海舶，有「舟师」「识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针」。
罗盘
与他同时代，宣和年间（公元1119至1125年）由海道往高丽去的使者徐兢，在所着《高丽图经》里，也有类似的记载。可见那时从事航海的中国劳动人民，已经普遍地掌握了罗盘针的科学知识，而广泛应用在与汹涌波涛搏斗的航海事业上。
差动齿轮原理：指南车
古人不仅利用自然的产物磁石，还创造了为人类克服航海困难的罗盘针；而且在发现磁石指极性的前后，东汉（公元110年左右），张衡就利用纯机械的结构，创造了「指南车」。
直到北宋时燕肃（公元1027年）、吴德仁（公元1107年）所造的指南车，才第一次在历史上有了详细记载。《宋史.舆服志》对指南车的结构，有详尽说明。
指南车模型图
指南车是在车上立一个举臂的木人，不论车子怎样转动方向，木人的手指永远指向正南方。这主要靠车厢里的机械控制。它是由五个齿轮组成的，车厢当中平放一个大齿轮，轮轴向上伸出，轴上立着木人，大齿轮转多少度，木人也转多少度。大齿轮两旁各有两个小齿轮，利用差动齿轮原理，当车轮转弯时，车子向左（或右）转，大齿轮就向右（或左）转，转动的角度，恰等于车子转弯的角度，因此大齿轮轴的方向是不变的。
古人利用这种装置，当车子在回转的时候，使站立在大齿轮轴上的木人，手臂永远指向南方。
由此证明，古人在1800年前，就已经创造了齿轮，发现差动齿轮原理，并且创造利用了差动齿轮机。