【中学3年理科】地球の自転と日周運動のポイント・問題

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中学3年理科。いよいよ最後の章である「天体」です。今日はその中でも地球の自転と日周運動について学習しましょう。天球の模型である透明半球の見方も学習していきます。

地球の自転

地球は2つの運動をしています。自転公転です。今回は地球の自転だけを見ていきます。一気に2つの運動を考えると訳が分からなくなるので。

  • 地球の自転
    地球がその場でコマのように一日に一回転している。
  • 地球の公転
    球が太陽の周りを一年かけて一回転している。

この2つの運動を同時に行っているのです。この2つの運動が重なって太陽が動いていくように見えたり、季節によって見える星座が変わったりします。

まずは、地球の自転について見ていきます。下の図が頭に浮かぶようになれば大丈夫です。

地球の自転

地球の自転の地球の自転の向き:西から東
地球の自転の角度:1時間で15°

太陽や星の日周運動

地球が自転していることによって、動いていないものが動いていくように見える「見かけの運動」が起こります。それが日周運動です。自分がその場でコマのように回転すると周りの景色が動いていくように見いえる現象と同じです。

太陽も星も、どちらも動いていませんが、地球が自転することで動いていくように見えるのです。下の図はプラネタリウムのような天球という模型です。空全体は広いので、この天球を使って太陽や星の動きを表します。

太陽の日周運動

日周運動のポイント日周運動の向き:東から西
北の空では北極星を中心に反時計回り
日周運動の角度:1時間で15°
一日で1回転(360°)日周運動している
日周運動の原因:地球の自転
地球の自転によって起こる見かけの運動

地球の自転が原因で起こる見かけの運動であることをしっかりと覚えましょう。なので、方向も自転と逆になっていて、角度は同じになりますね。

地球は「自転」太陽や星が「日周運動」していることにも気をつけましょう。

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天球の用語

天球では様々な用語を覚えなくてはなりません。次の内容を覚えておけば十分でしょう。

  • 天球
    星や太陽が動く空を球面で表したところ。
  • 地平面
    観測者が立っている地面のこと。
  • 地平線
    地平面と地平線が重なっているところ。
  • 観測者の位置
    地平面に観測者が立っているところ。地平面の中心。
  • 天頂
    観測者の真上の天球の一点。
  • 天の子午線
    南と天頂と北を結んだ天球上の線。
  • 南中
    太陽や星が真南にくること。一番高度が高くなります。
  • 南中高度
    太陽や星が真南に来たときの地面からの高さ。
  • 日の出の位置
    太陽が地平線から出たところ。
  • 日の入りの位置
    太陽が地平線に沈んだところ。

日周運動をもっと詳しく

地球の自転が原因で起こる、太陽や星の日周運動をもっと別の見方で表してみます。下の図は、地球を北極側から見た図です。方角の見方や時間帯をしっかり確認してください。

日周運動

各方角の太陽・星の動き

各方角を見たときの星や太陽の動きも即座にわかるようになっておきましょう。


  • 地平線から太陽や星が登ってくる。右上がりに登っていきます。

  • 時計回りに動いていくように見えます。真南で南中します。
  • 西
    太陽や星が地平線に沈んでいきます。右下がりに沈んでいきます。

  • 北極星を中心に反時計回りに1時間で15°動きます。

北極星

天球や北の空で登場するのが北極星です。北極星は日周運動をしていません。ではなぜ北極星が動いているように見えないのかを考えましょう。

それは、地球の自転軸「地軸」の延長線上にあるからです。例えば、自分がその場でコマのように回転したとします。このとき周りの景色は移り変わっていくのですが、自分の回転軸の真上だけはその場で回っているだけで、動いているように見えません。これと同じ現象が北極星にも起こっているのです。

天体のよく出る記述
Q:北極星が日周運動しない理由
A:地球の地軸の延長線上の遠いところにあるから。

地球の自転の確認問題

  1. 地球がその場で1日で一回転する運動を何と言いうか。
  2. 1の方角はどちらからどちらか。
  3. 1は1時間で何度か。
  4. 1を北極側から見ると時計回りか反時計回りか。
  5. 1によって起こる、太陽や星の見かけの運動を何というか。
  6. 5の向きはどちらからどちらか。
  7. 5で、太陽や星は1時間に何度動いていくように見えるか。
  8. プラネタリウムのよな見かけの空のことを何というか。
  9. 観測者の真上の8のところを何というか。
  10. 北極星が時間が経っても動かない理由を答えよ。

解答

  1. 地球の自転
  2. 西から東
  3. 15°
  4. 反時計回り
  5. 日周運動
  6. 東から西
  7. 15°
  8. 天球
  9. 天頂
  10. 地球の地軸の延長線上の遠いところにあるから。

透明半球の計算問題

透明半球とは、天球を模型にしたもので、この透明半球を使って太陽の一日の動きを記録することができます。その中でも今日は南中時刻や日の出日の入りの時刻の計算方法を練習します。

時間と太陽の移動距離は比例関係

時間と太陽が透明半球上を移動した距離は比例の関係になります。時間が2倍になれば、太陽が動いた距離ももちろん2倍になります。ということは比例式を立てると、南中時刻などを計算することができます。

例えば、太陽が透明半球上を1時間で2cm移動したとします。4cm移動するには何時間かかりますか?と言われたらすぐに答えは計算できますよね。

1時間:2cm=x時間:4cm
2x=4
x=2時間

このように計算すれば南中時刻や日の出日の入りの時刻も計算できます。

太陽の南中時刻の計算問題1

[例題]下の図のように、太陽の一日の動きを透明半球に記録した。Aは午前9時に太陽の位置を記録したものであり、Bはその1時間後に太陽の位置を記録したものである。AといBの長さをはかると2.4cmであった。また、Mは太陽が真南に来たときの記録で、BM間の長さは7.2cmであった。この日の太陽の南中時刻を求めなさい。

南中時刻

解答・解説

まずは計算しやすい数字にしています。計算の流れを確認しましょう。その前に、文章中に登場した時刻や長さを図に書き込みます。

南中時刻2

太陽の動いた距離と時間が比例していることを使って、比例式を立てて計算していきます。

  • 1時間:2.4cm=x時間:7.2cm
    2.4x=7.2
    x=3時間
  • 午前10:00+3時間=午後1時

簡単ですね。次は少し計算がややこしくなります。

太陽の南中時刻の計算問題2

[例題]下の図のように、太陽の一日の動きを透明半球に記録した。Aは午前9時に太陽の位置を記録したものであり、その後1時間ごとにBからEの太陽の位置を記録した。Mは太陽が真南に来たときの記録で、DM間の長さは0.4cmであった。この日の太陽の南中時刻を求めなさい。

南中時刻3

解答・解説

まずは計算しやすい数字にしています。計算の流れを確認しましょう。その前に、文章中に登場した時刻や長さを図に書き込みます。

南中時刻4

太陽の動いた距離と時間が比例していることを使って、比例式を立てて計算していきます。

  • 1時間:2.4cm=x時間:0.4cm
    2.4x=0.4
    x=1/6時間
  • 1/6時間×60=10分
  • 午前12:00+10=午前12時10分

時間を分にするのが苦手な生徒は1時間を60分に直してから計算します。

  • 60分:2.4cm=x分:0.4cm
    2.4x=24
    x=10分
  • 午前12:00+10=午前12時10分

【練習問題❶】地球の自転と日周運動

問題下の図1、図2は、ある方角の星の動きを一定時間観察したものである。これについて、以下の各問いに答えよ。

地球の自転と日周運動

(1)図1と図2は、それぞれどの方角の空の星の動きを観察したものか。

(2)図1で、Xの方角は何か。4方位のうちのいずれかで答えなさい。

(3)図1で、星が動く向きはaとbのどちらか。また、星の動きの中心にあるAは何という星か。それぞれ答えなさい。

(4)図2で、星の動く向きはaとbのどちらか。

(5)次の分は、星の1日の動きについてまとめたものである。文中の( )にあてはまる語句や数字を答えなさい。

夜空の星を観察していると、星が( ① )から( ② )の方角に、1時間に( ③ )°動いていくことが確認できます。この動きを( ④ )といいます。この動きが起こる原因は地球の( ⑤ )です。地球が( ⑥ )を回転軸として、1時間に( ⑦ )°、( ⑧ )から( ⑨ )の方角へ回転しているので、動いていない太陽や星が動いていくように見えるのです。

【解答・解答❶】地球の自転と日周運動

(1)図1: 図2:

星野日周運動では、東の地平線から右上がりに星がのぼり、南の空で南中し、西の地平線に右下がりで沈んでいきます。また、北の空では、北極星を中心に反時計回りに星が動いていくように見えます。

(2)西

北の空を向いたとき左手の方角が西、右手の方角は東になります。

(3)動く向き: 星:北極星

北の空では、星は北極星を中心に反時計回りに星が動いていくように見えます。

(4)a

東の空では、右上がりに星が地平線から昇ってきます。太陽も星と同じような動きをします。

(5)① ②西 ③15 ④日周運動 ⑤自転 ⑥地軸 ⑦15 ⑧西 ⑨

地球が北極と南極を結ぶ地軸を回転軸として、1時間に15°ずつ西から東に自転しています。地球の自転の影響で、動いていない星や太陽が、1時間に15°ずつ東から西に動いていくように見えます。これを日周運動といいます。

【練習問題❷】透明半球の時間の計算

問題ある地点で、ある日の太陽の動きを、透明半球上に9時から15時まで1時間ごとに記録した。下の図1は、記録した点をなめらかな線で結んで延長し、透明半球のふちとの交点をP、Qとして示したものである。透明半球にそってPQの長さを測ると39cmで、また、1時間ごとの長さはどれも4cmであった。下の文章は、この観測結果についてのS君とTさんの
意見交換の一部である。

S君 「太陽は東から西に動いているね。それに、1時間に動く長さが同じということは、動く速さが一定ということだね。」
Tさん「それは太陽が動いているんじゃなくて、地球が( ① )ために起こる太陽の見か
けの動きよ。」
S君 「そうだったね。この太陽の動きを( ② )運動というんだよね。」
Tさん「この観測結果から、この日の昼の長さがわかるわね。」

透明半球

(1)会話文中の( ① )に入る地球の運動のようすを、運動の方向も含めて、簡潔に書け。

(2)会話文中の( ② )に適切な語句を入れよ。

(3)この日の昼の長さは何時間何分か。

【解答・解説❷】透明半球の時間の計算

(1)西から東に一定の速さで自転している

地球は、北極と南極をむすぶ地軸を回転軸とし、1日(24時間)で360°、1時間で15°西から東に自転しています。地球が自転することで、動いていない太陽や星が、1日(24時間)で360°、1時間で15°東から西に日周運動します。

(2)日周

地球の自転によって起こる太陽や星の見かけの運動を日周運動といいます。

(3)9時間45分

太陽の動く距離は時間に比例して長くなります。太陽は透明半球上を1時間に4cm動いているので、太陽が地平線から出ていた長さ39cmは、
1時間:4cm=x時間:39cm
これを解くと、39/4時間となります。9時間と3/4時間になるので、
3/4 × 60=45分
したがって、9時間45分になります。

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