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沈括生於官宦之家，父親沈周和祖父曾任大理寺丞，外公許仲容曾任太子洗馬，舅舅許洞是咸平三年（1000年）進士。自幼勤奮好學，十四歲時就讀完了家裡的藏書。曾經跟隨父親到了不少地方，增長了不少見識。十八歲至南京，對醫藥產生興趣。皇祐三年（1051年）沈周去世，至和元年（1054年），沈括以父蔭入仕，任海州沭陽縣（今屬江蘇）主簿。修築渠堰，開發農田，頗有政績。嘉祐六年（1061年），任安徽寧國縣令，倡導併發起了修築蕪湖地區萬春圩的工程，並撰寫了《圩田五說》、《萬春圩圖記》。

嘉祐八年（1063年），中進士，任揚州司理參軍。治平三年（1066年），入京編校昭文館書籍。熙寧年間，宋神宗趙頊用王安石為相，進行改革，沈括也積极參加。先後任史館檢討，集賢院校理，提舉司天監，軍器監，三司使等職。在此期間，撰寫了《渾儀議》、《浮漏議》、《景表議》、《修城法式條約》、《營陣法》。還多次出使，視察了很多地方。熙寧八年，沈括以翰林侍讀學士的身分，出使契丹交涉劃界事宜，獲成而還。他在出使途中繪記了遼國山川險阻及風俗人情，成《使虜圖抄》，上於朝廷。

熙寧十年（1077年），沈括出任宣州知州（今安徽宣城）。元豐三年（1080年），改任延州知州（今陝西延安）。元豐五年（1082年），被誣貶職。

元祐二年(1087年)，他完成了在熙寧九年即已奉命編繪的「天下郡縣圖」，定名為《守令圖》。

元祐三年，沈括移居到潤州（今江蘇鎮江），將他以前購置的園地，加以經營，名為「夢溪園」，在此隱居，八年後去世。其間，寫成了《夢溪筆談》，以及農學著作《夢溪忘懷錄》（已佚）、醫學著作《良方》等。

沈括的著述，據史書記載，有22種，155卷。現在多已不見，只存《夢溪筆談》、《續筆談》、《補筆談》。另外沈括的詩文在南宋時編成《長興集》41卷，今殘存19卷。以及後人所輯的《蘇沈良方》。

朱彧在《萍洲可談》的記載，沈括前後有二任妻子，第二任是淮南轉張芻之女，張氏驕蠻凶悍，平時常虐待沈括，將鬍鬚連皮帶肉扯將下來，兒女們抱頭痛哭，跪求張氏息怒；又驅逐元配之子，年年狀告其父子。但是張氏去世後，沈括竟鬱鬱寡歡，過揚子江時，一度跳水尋短，並於隔年去世




沈括在物理學、數學、天文學、地學、生物醫學等方面都有重要的成就和貢獻，在化學、工程技術等方面也有相當的成就。此外，沈括在文學、音樂、藝術、史學等方面都有一定的造詣。而他突出的成就主要集中在《夢溪筆談》中。

《宋史·沈括傳》稱他「博學善文，於天文、方志、律歷、音樂、醫藥、卜算無所不通，皆有所論著」。英國科學史家李約瑟評價沈括「中國科學史上的座標」。

1979年7月1日為了紀念他，中國科學院紫金山天文台將該台在1964年發現的一顆小行星2027命名為沈括。

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