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沈括考中进士后，被朝廷派去编校书籍，他制定的新规章制度为朝廷节省了很多开支，受到了宋神宗的赞扬。当时负责观测天象的司天监部门的官员大多都是混饭吃的，根本不懂得如何使用仪器。沈括调到这个部门后，制作出了很多观测天象的仪器，并修订了新历法。他还广泛搜集古代的科学书籍，成立了专门的考察科技的部门，为宋代科学技术的进步做出了贡献。
辽和宋朝为边境一处方圆三十里的土地主权争执了很久，始终都没能达成协议。沈括奉命和辽的使者就此事进行谈判。他认真研究了历史文献，发现按照以前和辽签订的划分边境的协议来看，当初两国边境是以古长城为界的，所以那块土地应该归宋朝所有。沈括在御前会议上把这个发现说了出来，宋神宗高兴地说：“其他大臣不懂地理，差点坏了大事。”命令沈括把地图拿给辽使臣看，和对方据理力争，辽使臣在事实面前哑口无言，只好回去复命。宋神宗派沈括出使辽商讨此事，辽宰相杨益戒负责和沈括谈判。沈括事先准备了很多资料证据让随从背下来，在谈判过程中，杨益戒一有疑问，沈括就让随从背诵有关资料。后来每次问都这样回答，杨益戒一点办法都没有。杨益戒见道理上已经输了，强词夺理道：“几里土地都舍不得让，是不是想和我们断交啊？”沈括说：“凡事都得讲道理，现在是你们不讲道理，明明事实已经证明那块土地是我们的，你们还要来争，到底是谁不讲信用？”和辽连续谈判了6次，沈括都不肯出让宋朝利益，辽人见没有办法，再加上自己确实输在道理上，只好把那块土地还给了宋朝。沈括胜利完成任务后启程回宋，沿途搜集了很多地理资料，并把地形画成图带了回来。回来后，将那些资料编写成一部《使契丹图抄》进献给朝廷。沈括这次出使立了大功，被任命为翰林学士。