沭水修浚工程，使沈括的才能得到了上司的赏识。1055年，他被调任到 东海做代理县令。在任职期间，当地曾出土了一件古代的弩机。沈括对此进 行了研究，他针对弩机的设计，提出了三点一线的射击理论，即弩机的望山
（瞄准器）、箭端、目标三点连成一条直线，认为这样瞄准，可以提高射击 的精度。通过沈括对弩机的研究，我们可以知道沈括早在青年时代，就对兵 器制造理论有了一定的理解并且产生了兴趣。
嘉祐六年 （1061年），沈括的哥哥沈披在宣州宁国（今安徽宁国）任县 令，沈括此时正好客居此地。当时，江南转运使张颙 （yóng）准备修复废弃 已久的秦家圩（今安徽芜湖地区），任命沈披主持修复。因沈括整治沭水成 功，也派沈括参与此事。他们广泛考察了周围的地势，调查了过去筑圩的情 况，把当地的地形地貌绘制成图，提出了施工方案。
秦家圩原是一片面积很大的圩田。这种圩田，是此地人民依据农业经验 而从大自然手中夺取的耕田。由于当地地势低洼而水位较高，劳动人民就在 低洼地区的四周环筑堤岸，把耕田保护在堤岸之中，这就是圩田。圩堤上设 置闸门，圩区内修筑沟渠直通闸门，做到了涝能排、旱能灌。北宋初年，一 场特大洪水冲毁了秦家圩的全部圩堤，圩田一片汪洋。洪水退后，虽多次有 人提议修复，但都因遭到反对而作罢。反对的理由是，在水边筑堤护田会使 江河水道不够通畅，天长日久就将再度成灾。
沈披、沈括提出修复秦家圩的消息一传开，人们有的赞成、有的反对。 反对者提出：圩田面积广大，会严重影响洪水排泄，每至汛期，必然引起水 灾；还有，圩的东南堤岸连接大湖，长年被风浪冲击，难以坚固等等理由。 沈括以科学的理论和调查得来的第一手资料为依据，对反对说法进行了驳 斥，并针对具体问题制定出了切实可行的办法，如在堤上种树、堤下植芦苇， 即可巩固堤岸。由于他的主张有理有序，反对者无言可对。沈括、沈披的建 议最终得以付诸实施。
秦家圩修复工程浩大，调动了附近八个县一万四千民夫，用了八十多年 正式竣工。新修复的秦家圩规模壮观：圩堤宽20米，高4米，长40公里， 圩田面积近八千公顷；在圩堤上，栽植了数万棵桑树。修复后的秦家圩被宋 仁宗赐名为“万春圩”。由于有高大围堤的保护，能防洪又可蓄水灌溉，使 得八千公顷的荒废土地变成上等良田，每年收粮达二十四万斛。万春圩的修 复成功，证明了沈括弟兄科学倡议的正确性，使沈括的科学才能再一次展现 出来。
万春圩工程完成后，沈括被调到陈州宛丘担任过一段时间的县令。这段 时间内，沈括练习了气功，把自己肺脏、脾脏多年的慢性病治愈了。到这时， 沈括入仕快十年了，官职始终不过县令一级，而且在宋朝凭父荫循常例递升 官阶，也不是正经出身。到嘉祐七年（1062年）秋，三十二岁的沈括参加了 科举考试，考中进士。从这以后，他的政治生活进入了重要时期。
第二年，沈括被朝廷派至扬州做司理参军，由于他才学出众，颇得上司 张刍的赏识。经张刍的举荐，在治平三年（1066年），他来到京城，入昭文 馆编校书籍。由于他平时公务不多，昭文馆又有大量藏书，所以沈括利用时 间和职务之便，阅读了大量馆藏书籍，尤其深入钻研了天文学。年轻的英宗 皇帝也曾向他询问过一些天文方面的问题，他作了很好的回答，得到了皇帝 的嘉奖。这时，昭文馆的一位官长对他的才学还有些怀疑，便又提出一些问 题要他回答。
他问沈括：“天上有二十八宿星座，但间距不等，多的相距三十余度， 少的只有一度，这是什么道理？”
沈括回答道：“天空中星辰分布本无所谓‘度’，只不过是研究天文历
1 法的人为了计算方便，以太阳的运行轨道黄道为规，把天空分为365 度。
4 二十八宿星在天空中的分布原本不均匀，自然就谈不上相距间度的均匀了。”
官长一听，觉得很有道理，又问“日和月的形状是像弹丸（球体）呢， 还是像圆扇 （平面圆形）？”
“像弹丸。”沈括脱口而答。
“何以证明？”
“这可以用月亮的盈亏来加以验证。”沈括边回答，边从书桌上举起一 个弹丸来作比，“月亮本身是不会发光的，而是靠日光的照射才反射出光来 的。每当月亮初升，日光照到它的侧面，所以新月如钩；月中时，日光照到 它的正面，故而满月如轮。就好比我于中的这颗弹丸半边涂上白粉后，您从 侧面看它，有粉的地方像钩形；而从正面看去，就是圆形了。这与月相盈亏 的道理是相同的。”
这个形象的比喻使得官长不住点头。随后，他又问：“日月运行，每月 都有朔和望，为什么却不都能发生日月食？”
沈括对朔和望当然是非常清楚的。他知道，阴历每月初一，月亮运行到 太阳和地球之间，这时月亮和太阳同时出没，在地球上看不到月亮，这就叫 朔。初一这天也称朔日。阴历十六日左右，地球运行到月亮与太阳之间，这 天太阳从西边下落时，月亮正好从东方升起，这时在地球上看到的月亮就是 圆的，这就叫望。这天就称望日。官长的意思很明白：即然在朔望期间日月 总是几乎和地球成一条直线，那为什么并未都发生日月食呢？沈括对这个问 题早就研究过，因此马上作了回答：
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