【中学受験理科】太陽と月の動きを図解で総まとめ—南中高度 日の出の方位 月の満ち欠け 月の動き｜武蔵野個別指導塾

南中高度の計算、月の形と見える時刻、日食と月食を3枚の図と例題で整理します。影の向きや長さも、太陽・月・地球の位置から理由を説明できるようにしましょう。

よくあるのは、祖父母の家の客間で理科の問題を開き、「夕方に南の空に見える半月」を満月と答えてしまう場面です。お子さまは月の名前を知らないわけではありません。「夜には月が出る」という生活の印象と、月の形ごとに見える時刻が違うという決まりが、まだつながっていないのです。ここで名前だけを覚え直しても、問題の時刻が朝に変わると再び迷います。

太陽と月の問題は、形、時刻、方位を一度に思い浮かべようとすると難しくなります。まず観察している場所を決め、次に太陽の方向を置き、最後に月や影の位置を考えます。この順に小さな図を描けば、「そう見える理由」を追えるようになります。

扱うのは、日本の多くの地域で見られる太陽と月の動きです。太陽が高い季節には影がどうなるのか、昼間に月が見えるのはなぜか、満月と月食はどこが違うのか。計算と観察を別々に覚えず、位置関係から確かめていきましょう。

この単元で身につけること

• 太陽の1日の動きを方位で説明します。東の空から南の空を通って西の空へ進む見かけの動きと、地球の自転を結びつけます。
• 季節による道すじの違いを整理します。日の出・日の入りの方位、昼の長さ、南中高度を、夏と冬で比べます。
• 南中高度を計算します。緯度を使って春分・秋分の高さを求め、夏至と冬至では23.4度の分を加減します。
• 影の向きと長さを判断します。太陽と反対側に影ができることと、同じ棒でも太陽が高いほど影が短くなることを分けて使います。
• 月の形と見える時刻・方位をつなぎます。新月、上弦の月、満月、下弦の月を太陽との位置関係で説明し、日食と月食の並びも区別します。

低学年から学ぶ方位や、光をさえぎると影ができるという学習が土台になります。計算には角度のたし算・ひき算を使いますが、式を立てる前に「地面から測る角度か」「真上から測る角度か」を確認することが欠かせません。家で答えを確かめるときも、名称だけでなく、何を基準にした答えなのかまで聞くと、理解している部分が見えてきます。

基本の考え方

太陽の1日と1年の動き、影の関係

地球は西から東へ自転しています。そのため地上からは、太陽が東から西へ動いて見えます。地球が1回自転する時間は約24時間なので、受験理科では太陽の見かけの動きの基準を、360度÷24時間＝1時間あたり15度と考えます。ただし、これは天球上を回る動きの基準です。太陽の高度が毎時15度ずつ上がるという意味ではありません。

高度とは、水平な地面の方向を0度としたとき、見上げる方向がつくる角度です。真上なら90度です。日本では太陽が真南に来ることを南中といい、そのときの高度を南中高度といいます。1日のうちで太陽が最も高くなり、同じ棒の影は最も短くなります。南中の時刻は正午ごろですが、時計の12時ちょうどとは限りません。場所や日付で少し違うため、問題に「南中を12時とする」とあれば、その条件を使います。

太陽が南にあれば、影は北にできます。東の空にある朝はおおむね西側に、西の空にある夕方はおおむね東側に影がのびます。影が動く向きを考えるときは、棒の根元を中心に太陽の反対側へ線をのばします。方位の「反対」と、紙面の「右・左」は同じではありません。地図のように北を上に描く場合と、南の空を正面から描く場合とで、紙面の方位が変わります。

季節によって太陽の通り道が変わるのは、地球の地軸が公転面に垂直な方向に対して約23.4度傾いたまま、地球が太陽のまわりを公転するからです。北半球が太陽のほうへ傾く夏には、太陽は高く通り、昼が長くなります。冬には低く通り、昼が短くなります。夏が暑い理由を「地球が太陽に近づくから」と書くのは適切ではありません。日光が地面に当たる角度と、日光が当たる時間を考えます。

「北寄り」は必ずしも「ちょうど北東」を意味しません。日の出の詳しい方位は緯度でも変わります。問題では「真東より北寄り」のように、基準の方位とずれの方向を組にして答えると正確です。

図1のように、同じ地点の南中高度を比べると、夏至の太陽が最も高くなります。これは南を含む鉛直な断面で、同じ観察者から見上げる方向を重ねた図です。1日の太陽の道すじを描いたものではありません。

春分・秋分の南中高度は「90度−その地点の北緯」で求めます。夏至はその値に23.4度をたし、冬至は23.4度をひきます。問題で23.5度を使うように指定されていれば、その数値にそろえます。図1の地点は北緯35度、地軸の傾きは23.5度とした場合です。季節の差を先に暗記するより、春分・秋分を基準に夏は高い、冬は低いと見通してから計算しましょう。

月が光って見えるわけと満ち欠け

月は自分で光っているのではなく、太陽の光を反射しています。月の球のうち、太陽に向いた半分が照らされます。日食や月食のときを除く通常の満ち欠けでは、この照らされた半分のうち、地球から見える部分の広さが変わります。月そのものが削れたり、地球の影が毎日少しずつかかったりするのではありません。

月は地球のまわりを公転します。北極側から見下ろす図では、その向きは反時計回りです。太陽と同じ方向に月があると、地球には月の暗い側が向き、新月になります。そこから上弦の月、満月、下弦の月を経て、再び新月に戻ります。この満ち欠けの1周は約29.5日です。月が地球のまわりを恒星を基準に1周する約27.3日と違うのは、その間にも地球が太陽のまわりを動くからです。形が元に戻る周期を問われたら、約29.5日を選びます。

地球から見て太陽と月が反対方向にある満月では、地球から月の明るい側全体を見ます。上弦と下弦では、太陽の方向と月の方向が地球から見て約90度違い、明るい部分が半円になります。日本で南の空を向いて見たときは、上弦が右半分、下弦が左半分の明るい半月です。地平線近くでは月の傾き方が変わるので、「いつでも紙の右が明るい」とだけ覚えるのは避けます。

新月のあとに見える細い三日月は、夕方、西の空で見つかります。明るい側は、すでに沈んだ太陽のある方向を向きます。一方、新月に近づく直前の細い月は明け方の東の空に見えます。細い月ならすべて夕方というわけではなく、満ちていく途中か、欠けていく途中かを区別する必要があります。

月の1日の動きと、日ごとの位置のずれ

月も地球の自転のために、1日の間ではおおむね東から西へ動いて見えます。一方、同じ時刻に数日続けて見ると、月は星空に対して東寄りへ位置を変えます。これは月自身が地球のまわりを公転しているためです。「数時間後」と「翌日の同じ時刻」を読み違えると、逆の方向を答えてしまいます。

月の出の時刻は、平均すると1日ごとに約50分ずつ遅くなります。ただし毎日ぴったり50分ではありません。また、各形の月の出・南中・月の入りも、季節や観察地点でずれます。次の表は、太陽が6時ごろ出て、12時ごろ南中し、18時ごろ沈むとしたときの基本的な目安です。

新月の行は位置を考えるための時刻です。新月が昼にくっきり見えるという意味ではありません。太陽に近い方向にあり、地球に暗い側を向けるため、ふつうは見えません。一方、上弦の月は午後にも、下弦の月は午前にも見えることがあります。「月は夜だけ」という思い込みを外すと、この表が自然につながります。

例題で解き方を確かめる

例題1　南中した太陽と棒の影

日本のある地点で、水平な地面に同じ棒を垂直に立てました。晴れた日の朝から夕方まで調べると、影が最も短くなる時刻がありました。このとき太陽はどの方位にあり、影はどの方位にのびていますか。また、同じ場所の夏至と冬至の南中時の影では、どちらが長いですか。

1. 影が最も短いときの太陽の高さを考えます。同じ棒なら、光が高い方向から当たるほど、棒の先を通る光が根元に近い地面へ届くためです。
2. 日本で太陽が最も高くなる南中を選びます。南中した太陽は真南にあり、影はその反対の真北にできるため、2つの方位を対にして書きます。
3. 夏至と冬至の南中高度を比べます。冬至のほうが低いので、棒の先を通った光は根元から遠い地面へ届き、影が長くなります。

ここで必要なのは、棒の高さも地面の傾きも同じという条件です。夏と冬で別の高さの棒を使った記録なら、影の長さだけで太陽の高度を比較することはできません。問題にある「同じ棒」「水平」「垂直」は、答えに直接書かなくても、判断を支える大事な言葉です。

答え：太陽は真南、影は真北にあり、南中時の影は冬至のほうが長くなります。

例題2　緯度から南中高度を求める

北緯35度の地点で、春分、夏至、冬至の南中高度をそれぞれ求めます。この問題では、地軸の傾きを23.5度として計算してください。図1の3本の線は、この条件に対応しています。

1. 基準となる春分の南中高度を計算します。春分には太陽が赤道の真上に来るため、北へ35度離れた地点では、真上の90度より35度低く見えます。90度−35度＝55度です。
2. 夏至は春分より高くなるので、23.5度をたします。55度＋23.5度＝78.5度です。先に高低を判断しておくと、たすかひくかを取り違えにくくなります。
3. 冬至は春分より低くなるので、23.5度をひきます。55度−23.5度＝31.5度です。最後に夏至、春分、冬至の順で値が小さくなっているかを確かめます。

夏至と冬至の差は78.5度−31.5度＝47度です。23.5度は基準から片側への変化なので、両端の差はその2倍になります。また、78.5度は地面から測った角度です。真上からのずれを聞かれたら90度−78.5度＝11.5度となり、答える量が変わります。

答え：春分は55度、夏至は78.5度、冬至は31.5度です。

例題3　夕方に南中する月を選ぶ

太陽が18時ごろに沈む日を考えます。18時ごろ、月が南の空で最も高くなっていました。この月の形と、沈む時刻のおよその目安を答えてください。太陽と月の時刻は、基本の考え方にある表の目安に従います。

図2のように、地球を中心として太陽と月の方向を比べます。この図は北極側から見下ろした配置です。周囲の小さな円は月の球を上から見た姿で、橙色は太陽に照らされる側です。地上から見える月の形を、そのまま小さな円に描いているわけではありません。大きさや距離の比も実際とは異なります。

1. 18時ごろの太陽の位置を決めます。夕方の太陽は西にあるので、南中している月は太陽と別の方向に見えていることがわかります。
2. 太陽から約90度東に離れた上弦の月を選びます。新月は太陽とほぼ一緒に沈み、満月は夕方に昇るので、夕方に南中する条件には合いません。
3. 上弦の月の南中から月の入りまでを表で追います。南中が18時ごろなら、沈むのは約6時間後の24時ごろです。地平線までの時間を厳密な一定値とせず、この問題の目安として使います。

図2では、右の新月から上の上弦、左の満月、下の下弦へと反時計回りに進みます。満月の位置で月から地球を見ると、地球は太陽と同じ側にあります。このため地球の観察者は月の明るい側を見ることになります。図の上側にあるから北の空に見える、という読み方はしません。宇宙から見た配置と、地上の東西南北は別のものです。

答え：上弦の月で、沈む時刻は24時ごろです。

例題4　満月でも月食にならない理由

月食は地球の影に月が入る現象です。それなのに、満月のたびに月食が起こるわけではありません。この理由を、「月の通り道」と「地球の影」という言葉を使って説明してください。

1. 月食の並びを太陽、地球、月の順に整理します。月が太陽と反対側に来る満月のころが、月食の起こりうる時期だからです。
2. 満月という条件と、影に入る条件を分けます。満月は太陽と月が地球から見てほぼ反対方向になることで、必ず地球の影の中心を通るという意味ではありません。
3. 通り道の傾きを理由に加えます。月の公転面は地球の公転面に対して傾いているので、多くの満月では月が地球の影の上側か下側を通ります。

記述では「ずれているから」だけで終わらせず、何が何に対してずれ、結果としてどこを通らないのかをつなぎます。日食についても同じ考え方が使えますが、日食で地上へ届くのは月の影です。月食の説明に月の影を混ぜないよう、光をさえぎっている天体を確かめましょう。

答え：月の通り道が地球の公転面に対して傾いており、満月でもふつうは地球の影の上側や下側を通って、影の中に入らないからです。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　夏至の日の出を「真東」とする

誤った書き方は「太陽は東から昇るので、夏至も真東から昇る」です。どこが違うかというと、「東の空」という広い方向と、「真東」という1つの方位を同じにしている点です。日本では太陽が昇る位置は季節によって変わり、真東になるのは春分・秋分のころです。

正しい書き方は「夏至には真東より北寄りから昇り、真西より北寄りへ沈む」です。ノートに東と西だけを書いていたら、先に北と南を加え、そのあと夏至と冬至の位置を入れます。日の出の位置と南中高度は異なる情報なので、夏至の太陽が「北の空で南中する」とつなげないようにします。日本での夏至の太陽も南中時には南にあります。

誤り2　半月を「地球の影で半分隠れた月」とする

誤った書き方は「地球の影が月の半分を隠すと上弦になる」です。どこが違うかというと、ふつうの満ち欠けと月食を混同している点です。月の太陽に向いた半分は照らされていて、その明るい部分を見る向きが変わるのが満ち欠けです。

正しい書き方は「上弦の月では、地球から月の明るい半球の半分が見え、見かけの形が半円になる」です。図3のように、月食では太陽、地球、月がほぼ一直線に並び、地球が月へ届く日光をさえぎります。日食では太陽と地球の間に月が入り、地上の一部で太陽が月に隠されます。図は並び順を示す模式図で、大きさや距離の比、影の広がりは表していません。

日食が起こるのは新月のころ、月食が起こるのは満月のころです。月の通り道が傾いているため、新月のたびに日食が起こるわけでもありません。日食の観察で太陽を直接見ることは危険です。家庭での確認は図や模型で行い、太陽を肉眼、双眼鏡、望遠鏡で直接見ないようにします。

誤り3　月は翌日も同じ時刻に同じ位置へ来るとする

誤った書き方は「今日18時に南にあった月は、明日18時にも南にある」です。どこが違うかというと、地球の自転だけを考え、月の公転を入れていない点です。月は星空に対して東へ位置を変えるので、翌日、同じ方位に来る時刻は平均すると遅くなります。

正しい書き方は「同じ時刻に比べると、翌日の月は星空に対して東寄りにずれる」です。ただし、地平線からの高さまで必ず高くなるとはいえません。問題文の「同じ日で2時間後」には西への見かけの動きを、「次の日の同じ時刻」には公転による東へのずれを対応させます。時間の比較条件に線を引いてから、図に矢印を1本だけ加えると、2種類の動きを混ぜずに済みます。

練習問題

練習1から練習4まで、答えを出す前に太陽の方向か基準の角度を紙に書いてみましょう。時刻については前の表の目安を使い、実際の観測時刻の細かなずれは考えません。計算の式と、判断に使った条件をそれぞれ1つ残すと、答え合わせで理由まで確かめられます。

練習1

北緯40度の地点の、春分、夏至、冬至の南中高度を求めてください。地軸の傾きは23.5度とします。また、同じ棒を垂直に立てたとき、南中時の影がこの3つの時期で最も短くなるのはいつですか。

練習2

明け方の6時ごろに南中している半月があります。この月の名前と、日本で南の空を向いて見たときに明るい側を答えてください。さらに、この月が沈む時刻の目安も答えてください。

練習3

ある日の月の出を19時10分とします。この問題では、月の出が毎日50分ずつ遅くなるものとして、3日後の月の出の時刻を求めてください。「3日後」は、もとの日から3回遅れることを表します。

練習4

「新月のころに起こり、月が日光をさえぎって、地上の一部で太陽が隠れて見える現象」の名前を答えてください。また、そのときの天体の並びを太陽から順に書いてください。

答えと解説

練習1の答えは、春分50度、夏至73.5度、冬至26.5度で、影が最も短くなるのは夏至です。春分は90度−40度＝50度です。ここから23.5度をたすと73.5度、ひくと26.5度になります。同じ地点・同じ棒で比べるので、南中高度が最も高い夏至の影が最も短くなります。

練習2の答えは、下弦の月、左半分、12時ごろです。上弦の月が南中するのは夕方で、明け方に南中する半月は下弦の月です。名前を取り違えた場合には、満月が真夜中に南中したあと、下弦では南中が明け方へ移る順序を確認しましょう。

練習3の答えは、21時40分です。遅れる時間は50分×3＝150分＝2時間30分なので、19時10分に2時間30分を加えます。平均的な遅れを一定として計算する問題であり、実際の月の出を日付なしに予報しているわけではありません。

練習4の答えは、日食で、並びは太陽、月、地球です。太陽と観察者の間に月が入ります。地球が真ん中に来る太陽、地球、月の並びは月食の条件なので、現象名だけでなく、光をさえぎる天体もセットで確かめます。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

太陽と月で学んだ「地球の自転による見かけの動き」は、次に星の動きを考える土台になります。また、影を光の進み方で説明する考え方は、光の直進や物体の影の単元にもつながります。方位の図と、横から見た高度の図を描き分けられると、複数の条件を含む問題でも整理しやすくなります。

家庭で5分でできる確認の1つ目は、白いボールと熱くならない小さな照明を使う方法です。保護者が照明を持ち、お子さまの顔を地球の位置、ボールを月に見立てます。照明を直接のぞかず、ボールの位置をゆっくり変え、光が当たる側と顔から見える側を比べます。顔や体の影がボールにかからないよう、ボールを少し高くすると、ふつうの満ち欠けを再現しやすくなります。

2つ目は、紙に北・東・南・西を書き、中央に棒の根元を表す点を置く方法です。保護者が「太陽は南東」と言い、お子さまが北西へ影の線を引きます。続けて「同じ棒で太陽が高くなる」と条件を変え、影を短く描けば、向きと長さを分けて確認できます。実際の太陽を見上げる必要はありません。

個別指導では、月の名前が出ないときに、名称の暗記まで戻るのか、球の半分が照らされるところまで戻るのかを、描いた図から確かめます。南中高度の式が合わない場合も、計算の誤りか、角度の基準の取り違えかを分けて扱います。

まとめ

天体の問題で手が止まったときは、答えの名前を急いで探さず、観察者を図の中に置いてみましょう。同じ月でも、上から見た配置と、地上から見た形は違います。その2つを結びつけるものが、太陽から届く光です。

お子さまが「満月だから夜」とだけ答えたら、「太陽とどちら側にあるから」と理由を続けてもらいます。言葉が出なければ位置を描き直し、光が届く側をぬります。図に戻って説明を組み立てることは、知っている名前を使える知識へ変える練習になります。

月の明るい側を決めるのは太陽であり、その明るさがどんな形に見えるかを決めるのは観察者の位置です。