自宋真宗之后，宋朝依赖每年大量银绢与辽朝维持暂时和平。然而，辽朝趁着宋朝软弱，试图侵占更多土地。1075年，辽国大臣萧禧被派遣到东京要求划定边界。
神宗命沈括前往谈判，因为他不仅精通地理，还曾支持王安石新法。沈括在枢密院查阅历史文件，为宋方提供了有力的证据，并以此画成的地图让萧禧无言。
沈括随后被派往上京（辽国都城），与宰相杨益戒讨论边界问题。他凭借深厚的地理知识和记忆力，对答如流，让杨益戒不得不放弃其无理要求。
回程途中，沈括详细记录各地的地形、风俗等，以木屑模型辅助记载，最终献给了神宗。在神宗的再次请求下，他开始编制全国地图，但因诬告被贬谪至随州继续工作十二年，直至完成《天下郡国图》——当时最为准确的地图之一。
除了地理研究外，沈括还涉足天文、历法、音乐、医药及数学等领域，在司天监期间，他添置天文仪器并计算北极星位置。他晚年的著作《梦溪笔谈》汇集了一生所学，其中包括劳动人民的发明，如毕升的活字印刷技术，这是中国古代四大发明之一，也是对雕版印刷术的一种改进。
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