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！

 

はじめに、天体の基本を以下の記事で確認してから、今回のテーマに取り組んでください。
⇒ 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。

 

 

本番までに与えられた時間の量は同じなのに、なぜ生徒によって結果が違うのか。それは、時間の使いかたが異なるからです。どうせなら近道で確実に効率よく合格に向かって進んでいきましょう！ くわしくは、以下からどうぞ。
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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。

 

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 理科 偏差値アップの勉強法

 

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。動画とは、「太陽の光」の向きが異なる点に注意してください。

 

「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。
⇒ 中学受験 理科 偏差値アップの勉強法
 

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

 

ところで、1年のうち気温がもっとも高いのは8月ころですが、なぜ南中高度が高く昼の長い「夏至の日」ではないのでしょうか？ 詳しくは、以下の記事で確認してください。
⇒ 中学受験の理科 気象(2)～気温と太陽および熱の伝わり方との関係

 

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長いということです。

 

「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。

 

習得の度合いをチェックするため、動画「太陽の動き【最重要ポイント】」を活用してください。スムーズに見ることができれば、OKです。

 

 

最後の仕上げとして、問題演習に取りくんでみましょう。

【問題演習：太陽の動き1】
⇒ 中学受験の理科 太陽の動きについての問題演習と解説【1】

【問題演習：太陽の動き2】
⇒ 中学受験の理科 太陽の動きについての問題演習と解説【2】

【問題演習：太陽の動き3】
⇒ 中学受験の理科 太陽の動きについての問題演習と解説【3】