中学受験の理科 太陽の動き~これだけ習得すれば基本は完ペキ!

中学受験の必勝法は、以下のリンク(青い文字の部分)をクリックしてご覧ください。
中学受験の理科【偏差値アップの勉強法】合格のカギは4つだけ!

                          

2018/01/11

01 太陽(GIF)

太陽は私たちに最も身近で、日々の生活にも大きな影響を与えます。「天体の動き」の中で、最も理解しやすいのが「太陽」です。

後に詳しく説明しますが、地球は「西から東」に向かって自転しています。でも私たちは自分が動いているとは思っていませんから、地球の外にある太陽が「東から西」に動いて見えます。毎日「東から日の出」「南中」「西に日の入り」をくり返す事の原因は、地球の自転です。

いっぽうで、毎日「昼と夜」をくり返しながらも、季節が少しずつ変化していきます。そして暦どおりに春夏秋冬をむかえて1年が終わり、毎年「四季」をくり返します。

毎年「春分の日」「夏至の日」「秋分の日」「冬至の日」をくり返す事の原因は、地球の公転です。ここまでは単純で分かりやすいのですが、さらに深い部分に入っていくと、意外に「アレっ?」となってきます。

生徒に質問すると、さまざまな答えが返ってきます。最初にいくつか質問をしますので、自分なりの答えを用意してから読みすすめてください。

スポンサーリンク

太陽の南中時刻、「夏至の日」「冬至の日」どちらが早い?

01 太陽 - 南中時刻と昼の長さ(GIF原版)

おなじ地点なら、一年中おなじ時刻に南中します。地球の時間システムは、太陽が南中してから翌日に南中するまでを24時間としています。暦も時間も太陽中心なのです。

太陽の南中は、「日の出」と「日の入り」のまん中です。「日の出」から南中までが午前、南中から「日の入り」までが午後。午前と午後の長さは同じで、「日の出」から「日の入り」までが昼の長さです。

冬至にくらべて夏至は昼が長いです。南中時刻は同じですが、冬至は「日の出」がおそく「日の入り」がはやいから昼は短い。ぎゃくに夏至は「日の出」がはやく「日の入り」がおそいから昼は長い。この関係をしっかりと理解しておきましょう。

「春分の日」と「秋分の日」は、「昼の長さ」も「気温」も同じです。では、2つのちがいは何なの?

03 太陽 - 1年4分割 北極側(GIF原版)

上図は、北極上空からみた地球の公転運動を示しています。地軸は北極と南極をつらぬく線ですから、北極点の位置を見れば地軸のかたむきと太陽との関係が分かります。

「春分の日」「秋分の日」ともに地軸は傾いていますが、よく見ると「太陽のほう」にも「太陽と逆のほう」にも傾いていない事が分かります。つまり「春分の日」「秋分の日」だけは、太陽との関係において地軸が傾いていないと考えても良いのです。

それ以外の日は、多少の違いはありますが、太陽との関係では地軸が傾いています。 質問に対して答えるため、さらに別の視点から考えていきます。

太陽と「地球の公転運動」

02 太陽 - 1年4分割(GIF原版)

上図は、赤道側からみた「地球の公転運動」を示しています。あとでも使う図ですから、完全に頭の中に入れておいてください。

北半球の地軸が最も「太陽のほう」に傾いている所(X)が「夏至の日」、最も「太陽と逆のほう」に傾いている所(Z)が「冬至の日」です。最初にこの2つを決定してから、春夏秋冬の順に「春分の日」(W)と「秋分の日」(Y)を決定します。

この図では、「昼と夜の長さ」という視点から1年を4つに分けています。昼と夜のどちらが長いのか、昼がだんだん長くなるのか短くなるのかを考えています。

「春分の日」は昼がだんだん長くなる途中の日で、「秋分の日」は昼がだんだん短くなる途中の日になります。これが先ほどの質問の答えです。「昼の長さ」の、変化のしかたがちがいます。

Aは昼が夜よりも長くて、さらにだんだん長くなります。Bは昼が夜よりも長くて、だんだん短くなります。Cは昼が夜よりも短くて、だんだん短くなります。Dは昼が夜よりも短くて、だんだん長くなります。

昼(明るい時間)と夜(暗い時間)のどちらが長いのか、昼がだんだん長くなるのか短くなるのか、それさえ分かれば、いま1年のうちのどの辺にいるのか分かるのです。

春に咲く植物と秋に咲く植物が、咲く季節をまちがえないのは「明るさ・暗さ」の変化を感じ取っているからと言えるでしょう。

太陽の問題:その1

次のような問題がでたら、まず「日の出時刻」と「日の入り時刻」から毎日の「昼の長さ」を計算します。そして、「昼の長さ」がどのように変化していくかをみます。

太陽の問題では、「昼の長さ」とその変化が大事だという事を覚えておいてください。

01-1 補足問題(GIF)

例えば昼が12時間より長く、日ごとに昼がだんだん長くなっていれば、Aを選びます。昼が12時間より短く、昼がだんだん短くなっていれば、Cを選びます。

太陽の問題:その2 Zの方角は東西南北のどちらでしょうか?

04 太陽 - 透明半球(GIF原版)

Aは「冬至の日」、Bは「春分・秋分の日」、Cは「夏至の日」の南中位置です。南中時刻は同じで「日の出」と「日の入り」の時刻がちがうから昼の長さが異なることがわかります。

太陽の問題で方角を問われたら、まず南から決定します。毎日かならず南中するからです。つまりWが南です。するとYが北、Xが東、Zが西となります。

図をよく見ると、「冬至の日」の太陽の通り道は、一日中半分よりも南側にあります。一方で「夏至の日」は、朝方と夕方は半分よりも北側に、昼は南側にあり、南北をまたがっています。

だから「夏至の日」の「日かげ曲線」は南北をまたがり(もちろん南中時の日かげは、北側です)、「冬至の日」は北側だけということを知っておきましょう。「日かげ曲線」の問題は複数の図から選択する問題が多いので、この事を知っておくだけで点数につながります。

「春分・秋分の日」の「日かげ曲線」は、冬至と夏至の中間だと思っておいてください。

太陽の動き

05 太陽 - 動き(GIF原版)

上図は、さきほどの天球図の中にいる観測者から見た太陽の動きです。南中時刻は同じで「日の出」と「日の入り」の時刻がちがうから昼の長さが異なることがわかります。

春分・秋分の日の「日の出」は真東からで、「日の入り」は真西です。冬至の日は、「日の出」も「日の入り」も東西から南よりです。夏至の日は、「日の出」も「日の入り」も東西から北より(冬至の南よりと逆)になります。

この図と天球図を、よく見比べてください。そして、「日の出」「南中」「日の入り」と「昼の長さ」「方角」との関係をしっかりと理解してください。

スポンサーリンク

太陽と地球との関係:その1

06 太陽 - 地球の時刻(GIF原版)

この図は、北極上空から見た地球(春分・秋分の日)です。 宇宙空間に浮かぶ地球は、太陽に向かう側の半分は明るく、反対側は影になっています。

地球は反時計回りに自転しているので、地球上の日本に住む私たちは地球とともに移動していきます。A→B→C→Dと動いて、翌日の同じ時刻にまたAにもどります。1日に1回転、毎日この移動をくり返しているのです。

明るい部分にいる時が昼で、影の部分にいる時が夜です。「日の出」が6時、「南中」が12時、「日の入り」が18時、「夜真夜中」が0時だとしたら、A・B・C・Dはそれぞれ何時でしょうか?

Aは先ほどまで夜で、今まさに昼が始まろうとしているので6時(日の出)です。Cは逆に先ほどまで昼で、今まさに夜が始まろうとしているので18時(日の入り)です。Bは「日の出」と「日の入り」との真ん中だから12時(南中)。Dは逆に「日の入り」と「日の出」との真ん中だから0時(真夜中)となります。

太陽と地球との関係:その2

07 太陽 - 地球の方角2(GIF原版)

次は方角です。

A・B・C・D各点の人に「北はどっち?」と聞いたら、北極の方向を指さすはずです。「南はどっち?」と聞いたら、その反対方向を指さします。南北の方角が決まると、東西の方角も決まります。まず北(北極の方向)の方角から決定する、という事を覚えておいてください。

まとめると、上図のようになります。 どの地点においても、地球が西から東の方向に自転している事が分かります。地球に住む私たちは、常に自転する地球とともに西から東へ移動しています。

でも、私たちは誰も自分が移動しているとは思っていません。だから天体(太陽・月・星)が、逆に東から西に移動するように見えてしまいます。

ここまでの考え方(地球の時刻と方角)は、「月」でもたいへん重要です。完全に納得するまで、慣れ親しんでください。

上図を赤道側から見ると、下図のようになります。

太陽と地球との関係:その3

08 太陽 - 赤道方向2(GIF原版)

C(18時)は、A(6時)のちょうど向こう側になります。この図は、「春分・秋分の日」の場合です。

地軸は、太陽の方向にも太陽と逆の方向にも傾いていません。A(6時)からC(18時)までが昼で12時間、C(18時)からA(6時)までが夜で12時間です。

【注】「春分・秋分の日」も地軸が傾いているのでは、との質問を受けることがあります。第2段落目『「春分の日」と「秋分の日」は、「昼の長さ」も「気温」も同じです。では、2つのちがいは何なの?』を、よくお読みください(以下に同じ文章を添付しておきます)。

「春分の日」「秋分の日」ともに地軸は傾いていますが、よく見ると「太陽のほう」にも「太陽と逆のほう」にも傾いていない事が分かります。つまり「春分の日」「秋分の日」だけは、太陽との関係において地軸が傾いていないと考えても良いのです。

太陽と地球との関係:その4

09 太陽 - 赤道方向 夏至2(GIF原版)

次は、「夏至の日」です。北半球の地軸は太陽の方向に傾いていますから、上図のようになります。

「日の入り」は、「日の出」のちょうど向こう側です。 ここで注目したいのは、Bの時刻(12時、南中、「日の出」と「日の入り」との中間)と、Dの時刻(0時、真夜中、「日の入り」と「日の出」との中間)は変わらない事です。

いっぽうで、Aは「日の出」を過ぎているし、C(Aの向こう側)はまだ「日の入り」をむかえていません。南中時刻は1年中変わらず、「夏至の日」は「日の出」が早く「日の入り」は遅かった事を、思い出してください。

私たちは1日に1回転、毎日A→B→C→Dと移動をくり返しています。1回転の距離は変わりませんが、「明るい部分(昼)」と「暗い部分(夜)」との距離は季節によって異なります。「夏至の日」は昼が長くて夜が短い理由を、しっかりと理解してください。

夜よりも昼の方が長いというのは、「夏至の日」だけではありません。先ほど示した、「地球の公転運動」の図を見てください。地球が「春分・秋分の日」よりも「夏至の日」側にある時は、夜よりも昼の方が長いという事を覚えておいてください。

「夏至の日」のようすをよく見ると、北にいくほど昼が長くなる事に気がつきます。そして、さらに北にいくと夜のない所があります。太陽が沈まない「白夜(びゃくや)」という現象は、この地域でおこります。

太陽と地球との関係:その5

10 太陽 - 赤道方向 冬至2(GIF原版)

次は、「冬至の日」です。北半球の地軸は太陽と逆の方向に傾いていますから、上図のようになります。

「日の入り」は、「日の出」のちょうど向こう側です。「夏至の日」と同じく、Bが12時(南中)で、Dが0時(真夜中)は変わりません。いっぽうで、Aは「日の出」前でまだ暗く、C(Aの向こう側)はもう「日の入り」後で暗いです。

南中時刻は変わらず、「日の出」が遅く「日の入り」が早いから昼は短いのです。なお、昼よりも夜の方が長いというのは、「冬至の日」だけではありません。

ふたたび「地球の公転運動」の図を見てください。地球が「春分・秋分の日」よりも「冬至の日」側にある時は昼よりも夜の方が長い事を覚えておいてください。

「夏至の日」とは逆に、北にいくほど夜が長くなる事に気がつきます。そして、さらに北にいくと昼のない所があります。太陽が昇らない「極夜(きょくや)」という現象は、この地域でおこります。

次に、赤道地帯をもう1度ながめてみてください。1年を通して昼の長さと夜の長さが同じです。 「日の出」「南中」「日の入り」「昼の長さ」と、地球上の場所(北か南か)との関係を頭の中で整理してください。

スポンサーリンク

太陽の南中高度について

南中高度について、いちおう説明しておきます。これは理科というよりも算数に近く、しかも小学校で習わない部分もあるので、読み飛ばしていただいても結構です。

先ほどの図で、B地点は12時(南中)でした。このB地点の地平線を図示するとどうなるのか、というお話です。まず、「接線」ということを理解する必要があります。

11 太陽 - 接線の解説2(GIF)

上図で、1番目の円にしるした黄色い丸印の部分のみを拡大して書くと2番目になります。2番目にしるした黄色い丸印の部分のみを拡大すると、3番目になります。これをくり返していくと、やがて右の直線になります。

円を、ものすごく小さな直線の集まりと考えても良いです。 円の半径に直角な直線を「接線」といいます。B地点の地平線はB点の「接線」です。

12 太陽 - 接線2(GIF原版)

図でB地点から見て北極方向が北で、南極方向が南です。「太陽の光」が来る方向を指さして、そのまま地平線におろすと南方向になるので、太陽が南中している事を示しています。

太陽の南中高度(春分・秋分の日、夏至の日、冬至の日)

13 太陽 - 太陽高度の解説2(GIF原版)

南中高度とは「地平線」と「太陽の方向」との角度ですから、 南中(12時)しているB地点の太陽高度は、

「春分・秋分の日」の南中高度 =90度-緯度 となります。

「夏至の日」は地軸が太陽の方向(時計回り)に傾きますから、B地点の地平線も時計回りに傾きます。その分だけ太陽高度も増して

「夏至の日」の南中高度=90度-緯度+地軸の傾き

「冬至の日」は地軸が太陽と逆の方向(反時計回り)に傾きますから、B地点の地平線も反時計回りに傾きます。その分だけ太陽高度も減り

「冬至の日」の南中高度=90度-緯度-地軸の傾き

太陽の動きと、地球の緯度・経度との関係(その1)

14 太陽 - 同じ緯度(GIF原版)

次に、緯度と経度との関係を整理します。 上図は「夏至の日」のものです。 地点XとYとZは、緯度が同じで経度は異なる3地点です。

この場合は、3地点が同じ道を進んでいます。校庭でいうと、同じトラックを走っているわけです。先頭をZが走り、続いてY、最後にXが走っています。同じトラックですから、後ろの走者が前の走者を追い抜くことはありません。順番は変わらないのです。

この図では、地点Xは真夜中の直後です。地点Yは「日の出」直後です。地点Zは、まもなく南中をむかえようとしています。

「日の出」も「南中」も「日の入り」も「真夜中」も、必ず地点Zが最初にむかえます。続いて地点Y、最後に地点Xとなります。

まとめます。緯度が同じで経度が異なる地点を比べると、「日の出」も「南中」も「日の入り」も「真夜中」も、すべて東の地点が早くむかえます。

太陽の動きと、地球の緯度・経度との関係(その2)

15 太陽 - 同じ経度2(GIF原版)

上図も「夏至の日」のもので、地点XとYとZは、経度は同じで緯度が異なる3地点です。図を見て分かるように、3地点の「南中時刻」と「真夜中の時刻」は変わりません。

ただし、「夏至の日」ですから、北にいくほど昼は長いです。つまり、北にいくほど「日の出」は早く「日の入り」は遅くなります。逆に、「冬至の日」は北にいくほど昼が短いので、北にいくほど「日の出」は遅く「日の入り」は早くなります。

「夏至の日」の南中高度 =90度 – 緯度 + 地軸の傾き(23.4度)

「春分・秋分の日」の南中高度 =90度 – 緯度

「冬至の日」の南中高度 =90度 – 緯度 - 地軸の傾き(23.4度)

ですから、1年を通じて北にいくほど南中高度は低くなります。南中高度が北にいくほど低いという事は、南中時の影の長さは1年を通じて北にいくほど短いという事になります。

太陽の動きと、地球の自転・公転との関係

16 太陽 - 地球の自転と公転2(GIF原版)

最後に、地球の「自転」「公転」と太陽との関係をまとめておきます。

この図は地球の北極上空から見たものです。分かりやすくするために、長さや角度は「おおげさ」に描いています。

地球は、自転も公転も反時計回りです。 地点Aは、太陽が南の方向(北極と反対方向)だから、南中しています。

地球が1回転分の自転をすると、地点AはBにきます(同時に公転もしているから)。 Bにいる時点では太陽が南の方向ではありませんから、まだ南中していません。

地球の公転は1年で360度ですから、1日に約1度です。図左下の「1度」というのは、地球が1日に公転した角度です。右上の「1度」は算数的に求められます。

再び南中するためには、右上の「1度」分だけ、さらに自転によって移動してCにたどり着く必要があります。24時間かけて360度の自転をするので、1度分だけ自転するのに約4分かかります(24時間×60分÷360度)。

地球の時間システムは、太陽が南中してから翌日に南中するまでを24時間としています。つまり地点AがCにたどり着くまでの時間が24時間です。という事は、地球が自転で1回転するのに必要な時間は、23時間56分です。

天体の中で「太陽」が最も簡単な理由は、1日24時間という考え方には地球の「自転」も「公転」も含まれているからなのです。

スポンサーリンク

中学受験の必勝法は、以下のリンク(青い文字の部分)をクリックしてご覧ください。
中学受験の理科【偏差値アップの勉強法】合格のカギは4つだけ!