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!

本番までの限られた時間を、もっと効率よく使いましょう! 以下の記事を、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!

                          

2019/08/03

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。

 

地球は「西から東」に向かって自転していますが、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」をくり返すのは、地球が自転しているからです。

 

いっぽう、毎日「昼と夜」をくり返しながらも、いつのまにか季節は少しずつ変化し、暦どおりに春夏秋冬をむかえて1年が終わり、「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」をくり返すのは、地球の公転によるものです。

 

ここまでは、単純で分かりやすいのですが、さらに深く入っていくと、意外に「アレっ?」となったりして、生徒の答えもさまざま。

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。

 

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太陽の南中時刻、「夏至の日」「冬至の日」どちらが早い?

 

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時間としており、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、「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。

南中時刻は同じでも、冬至は「日の出」がおそく、「日の入り」がはやいから、昼は短い。

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?

 

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るはずです。

 

「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、多少の違いはありながらも、太陽との関係では地軸が傾いています。 

ここまでが、質問に答えるための知識で、次は春と秋の違いです。

 

太陽と「地球の公転運動」

 

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という、2つの見方です。

 

「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。「昼の長さ」の、変化のしかたが違うのです。

 

Aは、昼が夜よりも長くて、さらにだんだん長くなっていきます。Bは、昼が夜より長いけれども、だんだん短くなる期間。

Cは、昼が夜よりも短くて、さらに短く。Dは、昼が夜より短いけれども、少しづつ長くなっていくわけです。

 

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ということです。

 

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」を計算してください。そして、「昼の長さ」がどのように変化していくのか、注目してみます。

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。

 

 

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です。

 

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?

 

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、昼の長さは異なるということがわかります。

太陽の問題で方角を問われたら、まず南から決定してください。毎日かならず、南中するからです。つまり、Wが南。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ね。

いっぽう、「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も、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

 

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、昼の長さは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。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、しっかりと理解することが大事です。

 

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太陽と地球との関係:その1

 

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、北極上空から見て反時計回りに自転しているので、地球上に住む私たちも、地球とともに移動しています。

A→B→C→Dと動いて、翌日の同じ時刻、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。

 

地球とともに移動しながら、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)。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

 

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。

南北の方角が決まれば、東西の方角も決まってしまうわけです。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。

 

上図のように、地球は西から東の方向に自転しており、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るのです。

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、逆に天体(太陽・月・星)が、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。

上の図を、赤道側から見たようすが、次の図です。

 

太陽と地球との関係:その3

 

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(12時間)、C(18時)からA(6時)までが夜(12時間)となります。

 

【注:よくある質問】

「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

 

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、年間を通して変わらない事です。

 

いっぽう、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、「地球の公転運動」の図でも示しました。

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くなります。

 

「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っていく事に、気がつくでしょう。さらに北へいくと、夜のない昼だけの所があります。

太陽が沈まない、「白夜(びゃくや)」とは、この地域におこる現象です。

 

太陽と地球との関係:その5

 

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、Aは「日の出」前でまだ暗く、C(Aの向こう側)も「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。「地球の公転運動」の図でも示したように、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くなります。

 

「夏至の日」とは逆に、北へいくほど、夜が長くなっていますね。さらに北へいくと、昼のない所があります。

太陽が昇らない、「極夜(きょくや)」とは、この地域におこる現象です。

 

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。

 

本番までの限られた時間を、もっと効率よく使いましょう! 以下の記事を、ご覧ください。
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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かまいません。

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。

 

 

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。これをくり返していくと、最後にたどりつくのが、右の直線です。

 

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、円上の直線を、「接線」といいます。

B地点の地平線は、B点における「接線」です。

 

 

図で、B地点から見て北極方向が北で、南極方向が南です。

B地点から「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、B地点では太陽が南中していることになります。

 

太陽の南中高度(春分・秋分の日、夏至の日、冬至の日)

 

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)に傾くので、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)に傾くので、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)

 

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、校庭でいうと同じトラックを走っているような感じです。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、地点Xは真夜中の直後です。地点Yは、「日の出」直後。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、順番は変わりません。

 

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)

 

上図も、「夏至の日」のもので、地点XとYとZは、経度が同じで緯度の異なる3地点です。

図を見て分かるように、経度が同じ3地点の、「南中時刻」と「真夜中の時刻」は変わりません。

 

ところが、「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」は早くなるわけです。

 

「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)

 

という関係から、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ことです。

 

「太陽」「月」「星」を含めた、天体全般の基本を整理しました。かならず確認しておいてください。
⇒ 中学受験の理科 天体(太陽/月/星/地球)の基本を確認しましょう!

太陽の動きと、地球の自転・公転との関係

 

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、1日に約1度。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時間で360度の自転をするので、1度分だけ自転するのに、かかる時間は約4分です(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。

ということは、地球が自転で1回転するのに必要な時間は、23時間56分ということになります。

 

天体の中で、「太陽」が最も簡単な理由とは、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。

 

本番までの限られた時間を、もっと効率よく!
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