【中学受験理科】星の動きと星座を図解で総まとめ—日周運動 年周運動 星座早見 季節の星座｜武蔵野個別指導塾

北の空の回転図と時間・角度のグラフで、星の動く向きを確かめます。季節の一等星、星座早見の使い方、翌月に同じ位置で星を見る時刻まで、例題と練習で順にたどれます。

よくあるのは、夏休みの課題の山から星の観察カードを取り出し、「昨日より遅く観察したのだから、星は昨日と同じ場所に見えるはず」と考えて、記録する手が止まるという場面です。時刻が変わったことと日付が変わったことが、頭の中で混ざっています。星座の名前を知っていても、どちらへどれだけ動くかを説明するには、別の手がかりが必要です。

星の問題では、まず見る方位を決め、次に比べる日付と時刻をそろえます。この順序ができると、北の空の星が回る図も、翌月に同じ星を見る時刻の計算も、理由をつけて解けるようになります。保護者の方がお子さまと確かめるときも、名前を答えさせる前に「どの方角を向いている図かな」と声をかけると、考え始める場所が定まります。ここでは日本の中緯度で見る空を基本にし、星の位置、季節の星座、星座早見の使い方をつなげて学びます。

この単元で身につけること

• 星の並び方と位置を区別します。数時間の観察では星どうしの並び方はほとんど変わらず、星座全体の位置や向きが変わります。
• 東西南北の空で、星の動く向きを説明します。北の空では北極星付近を中心とする反時計回り、南の空では東から西への動きとして読み取ります。
• 時刻の差を角度に直します。地球の自転による星の見かけの動きについて、受験の基本計算では1時間に約15度を使います。
• 日付の差と時刻の差を分けます。同じ時刻に見る星は1か月に約30度進み、同じ位置に見える時刻は1か月に約2時間早くなります。
• 季節の星座と一等星を組み合わせます。明るい星を目印にして星座を探し、星座早見で観察する日付と時刻を合わせます。

方位、時計の読み方、角度を測る学習が土台です。太陽が東から昇って西へ沈む見かけの動きと結びつけると、星だけに特別な決まりがあるわけではないことも理解できます。ただし、太陽と同じようにすべての星が毎日昇って沈む、と考えるのは早すぎます。北極星の近くには、日本から見ると地平線の下へ沈まない星もあります。

基本の考え方

星の見かけの動きと方位

自分で光を出している星を恒星といいます。夜空で星座をつくる星の多くは恒星です。恒星も宇宙の中で動いていますが、地球からとても遠いため、数時間や季節を比べる学習では、星どうしの並び方はほとんど変わらないものとして扱います。星座の形が保たれたまま移動したり、傾きが変わったりする点を観察します。

地球は西から東へ自転しています。その地球の上から空を見ると、星は全体として東から西へ動くように見えます。この1日の見かけの動きを日周運動といいます。自分が回る椅子に座って右へ向きを変えると、部屋の物が左へ動くように感じることに似ています。動く側にいるために、相手が動いて見えるのです。

日本で東の空を向くと、星はおおむね右上がりに昇ります。南の空を向くと、左側が東、右側が西なので、星は左から右へ進みます。南の空を通る星は、真南に来たときに最も高くなります。これを南中といいます。西の空を向くと、星はおおむね右下がりに沈みます。東での昇り方や西での沈み方は、星の通る道や見る場所によって傾きが違うため、斜め45度などと決めつけません。

北の空は、北極星のすぐ近くにある点を中心に、反時計回りに回るように見えます。図1のように、円の上にある星は左へ、左にある星は下へ、下にある星は右へ、右にある星は上へ進みます。「反時計回り」を言葉で覚えるだけでなく、円の4か所から指を動かして確かめてください。

図1は、北極星付近の星の道を円で表した模式図です。中心は正確には天の北極と呼ばれる点で、北極星はそのすぐ近くにあります。北極星自身もごく小さく回って見えますが、中学受験の基本問題では、ほぼ動かず北を示す目印として扱います。図の円は地平線との関係を省いており、円で描いたからといって、すべての星を一晩中観察できるという意味ではありません。

北を向くと左が西、右が東です。南を向いたときとは、紙の左右に当てはまる方位が逆になります。問題の図を見るたびに、図の下に「北の空」「南の空」などと書き込み、それから左右を確認します。北極星の高さは観察する土地によって異なり、北へ行くほど高く見えます。ほぼ同じ場所で観察するなら、北極星の方位と高さはほとんど変わりません。

1時間と1か月では、そろえる条件が違う

日周運動の計算では、星が1周する角度360度を約24時間で割ります。360÷24＝15なので、1時間に約15度です。2時間なら約30度、30分なら約7.5度になります。ここでいう角度は、天の北極などを中心に星が回った角度です。地平線から測る星の高さが、必ず1時間に15度増えるという意味ではありません。北の空の問題なら、中心と星を結んだ線が何度回ったかを見ます。

一方、日付を変えて同じ時刻に見ると、星は少しずつ日周運動の向きへ進んだ位置に見えます。この1年を通した見かけの変化を年周運動といいます。原因は、地球が太陽の周りを公転していることです。公転によって、同じ時刻に地球から向く宇宙の方向が少しずつ変わります。そのため、夜に見やすい星座も季節によって入れかわります。

1年を12か月とすると、360÷12＝30で、同じ時刻の星は1か月に約30度進みます。これは日周運動の約2時間分です。たとえば、ある月の20時に見た星と同じ位置を翌月に見るには、約2時間早い18時に観察する計算になります。実際には18時が明るい季節もあるので、計算上同じ位置になることと、肉眼で観察できることは分けます。

1日単位では、同じ位置に星が来る時刻は毎日約4分早まります。実際の星の1周は24時間より約4分短く、1か月の長さも一定ではありません。そこで、この単元の例題と練習では、問題に示す「1時間15度、1か月30度、1日4分」という近似値を使います。問題に別の条件があれば、その数値に従います。

季節の星座、一等星、星座早見

星の明るさの表し方では、1等星、2等星、3等星の順に、数字が大きいほど暗くなります。「一等星」は特に明るく見える星をまとめて呼ぶときにも使われます。見かけの明るさには、星自身の光の強さだけでなく、地球からの距離も関係します。明るい星が必ず近い星とは限りません。北極星はおよそ2等星であり、夜空で最も明るい星ではありません。

次の表は、その季節の宵に目印にしやすい星と星座の組み合わせです。「春の星座」なら春だけしか見えない、という意味ではありません。別の季節でも、夜中や明け方には見えるものがあります。季節を答える問題では、何時ごろの観察なのかも読み取ります。

夏の大三角や冬の大三角は、それぞれ別の星座に属する星を結んだ形です。大三角そのものが1つの星座なのではありません。また、北斗七星はおおぐま座の一部です。北極星はこぐま座に属しています。北斗七星のひしゃくの先端にある2星を結び、底側から口側へ約5倍延ばすと、北極星を探す目安になります。柄の先から延ばすのではないことに注意します。

星座早見は、観察する日付の目盛りと時刻の目盛りを合わせ、そのときに見える星の位置を調べる道具です。使う地域の緯度に合ったものを選びます。まず日付と時刻を合わせ、次に今見ている方位の表示を下にして、頭上の空と照らし合わせます。紙の地図のように机に置いて東西を判断すると、空を見上げる向きと合わなくなります。観察場所では、実際の方位も保護者と確かめてください。

星座早見の窓は、地平線より上の空の範囲を示しています。窓の中の星でも、建物や雲に隠れていたり、空が明るかったりすれば見えません。星の位置を予想する道具であって、必ず見えることを保証するものではないのです。時刻を少しずつ進めて回すと、星が窓の東側から入り西側へ出ていく様子や、北の星が回る様子を確かめられます。

例題で解き方を確かめる

例題1　星の名前から季節と星座を決める

問題：ある夏の宵に、ベガ、デネブ、アルタイルがつくる大きな三角形を見つけました。この形の名前と、アルタイルが属する星座を答えましょう。また、2時間後に、3星の並び方は大きく変わるでしょうか。

1. 3星をひとまとまりにして確かめます。ベガ、デネブ、アルタイルの組み合わせは夏の大三角です。形を先に確かめると、冬の大三角の星との取り違えを防げます。
2. 問われた1星と星座を結びつけます。アルタイルはわし座です。大三角に含まれる星でも、全員が同じ星座に属するわけではないからです。
3. 「並び方」と「空の中の位置」を分けます。2時間後には位置や傾きが変わりますが、3星がつくる三角形の並び方はほとんど変わりません。

答え：夏の大三角、わし座で、3星の並び方はほとんど変わりません。

この問題で「変わる」と答えたときは、何が変わると考えたのかを確認します。三角形全体を紙に描き、紙を回しても3つの頂点の関係が変わらないことを確かめると、位置や向きの変化と形の変化を分けられます。実際の空を平面に写した図では見え方に多少の違いがありますが、基本問題では星の並び方が保たれる点を読み取ります。

例題2　表から動く角度を求める

問題：同じ夜に、北の空のある星を観察しました。北極星を中心とみなし、20時の位置から回った角度を次のように記録しました。21時30分に回った角度と、22時から23時30分までに回る角度を答えましょう。星は一定の速さで回るものとします。

1. 隣り合う記録の差を読みます。1時間ごとに15度ずつ増えているので、経過時間と角度は比例しています。20時という時計の数字を15にかけないようにします。
2. 21時30分までの経過時間を直します。20時からは1時間30分で、1.5時間です。15×1.5＝22.5なので、回った角度は22.5度です。
3. 2つ目は、求める区間の長さを取り直します。22時から23時30分までも1.5時間なので、やはり15×1.5＝22.5度です。観察を始めた20時から数える問題ではないためです。

答え：21時30分は22.5度、22時から23時30分までの回転も22.5度です。

図2のように、横軸を20時からの経過時間、縦軸を回った角度とすると、点は原点を通る直線上に並びます。1.5時間の点が1時間と2時間のちょうど中間にあることも確認できます。

図2の縦軸は星の高度ではありません。中心の周りを回った角度を表すので、数値が増えても、星が地平線から高くなり続けるとは限りません。北の空で中心の左側にある星なら、回転角は増えながら、星自体は下向きに進みます。

例題3　日付と時刻を両方変える

問題：ある年の7月1日20時に、北の空の星が北極星の真上にありました。8月1日22時には、最初の位置から何度、どちら回りに動いた位置に見えますか。1か月に30度、1時間に15度進むものとし、この星は考える間ずっと観察できるものとします。

1. 先に時刻を20時にそろえます。7月1日20時から8月1日20時までの1か月で、星は反時計回りに30度進みます。日付だけの効果を取り出すためです。
2. 次に8月1日の中で時刻を進めます。20時から22時までは2時間なので、反時計回りに15×2＝30度進みます。同じ日の変化は日周運動として扱います。
3. 向きがそろっていることを確かめて足します。30＋30＝60です。真上の位置から反時計回りに60度なので、北極星の左上に見えます。角度の頂点は北極星とみなした中心に置きます。

答え：反時計回りに60度動いた、北極星の左上の位置です。

「翌月だから30度」だけで止めると、時刻が2時間遅い条件を落としてしまいます。問題文の日付と時刻を別々に囲み、途中に「8月1日20時」を書くと、何をそろえたかが見えます。逆に、翌月でも時刻が早い場合には、日付による進みと時刻による戻りを引き合わせることになります。

例題4　同じ位置に見える時刻を理由つきで答える

問題：9月1日21時に、ある星が南中しました。10月1日には、およそ何時に南中しますか。「地球の公転」「同じ時刻」という言葉を使って、その理由も説明しましょう。1か月の変化は30度、1時間の変化は15度とします。

1. 何を同じにしたいかを確かめます。南中は星が真南に来ることなので、今回は星の位置を同じにする問題です。同じ時計の時刻の位置を求める問題とは違います。
2. 1か月分の角度を時間に換算します。30÷15＝2なので、1か月の進みは2時間分です。翌月の21時ではすでに南中を過ぎているため、観察時刻を早めます。
3. 時刻を計算し、理由をつなぎます。21−2＝19です。地球の公転により、翌月の同じ時刻には星が日周運動の向きへ約30度進んで見えるため、約2時間早く南中すると説明します。

答え：19時ごろです。地球の公転により同じ時刻の星が約30度進んで見えるので、同じ位置である南中に達するのは約2時間早まります。

理由を書くときは、「星が速く動くようになるから」としないでください。1か月後に日周運動の速さが急に変わるのではありません。同じ時刻に向いている宇宙の方向が、公転によって変わることが理由です。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　北の空でも、星はいつも右へ動くとする

誤った書き方は「星は東から西へ動くから、北極星の真上の星も右へ動く」です。どこが違うかというと、南を向いたときの紙の左右を、北を向いた図に持ち込んでいます。北を向くと西は左です。また、北極星を中心に回る星には、上へ進む位置も下へ進む位置もあります。

正しい書き方は「北の空は反時計回りなので、北極星の真上の星は左へ動く」です。直すときには、図1の円の上に指を置き、反時計回りに少し動かします。そこから左側、下側、右側まで続けると、回転方向は同じでも、紙の上での動く向きが位置によって変わることが確かめられます。

誤り2　翌月に同じ位置を見る時刻を遅くする

誤った書き方は「1か月後は星が2時間分進むから、20時に2時間足して22時」です。どこが違うかというと、すでに進んだ位置にある星を、さらに先へ進めています。同じ位置に戻して考えるには、日周運動で進む分を減らす必要があります。

正しい書き方は「翌月は同じ時刻で30度進んでいるので、20時から2時間戻して18時」です。図3のように、7月1日20時の位置をAとすると、8月1日20時にはBへ進みます。8月1日にAに来る時刻は18時です。この図も1か月30度、1時間15度の近似で描いています。

図3のAとBを同時に見える2つの星だと思わないことも大切です。同じ1つの星を、異なる日時に観察した位置です。AとBを結ぶ中心角は30度で、AからBへ進むのは反時計回りです。「同じ時刻なら先の位置」「同じ位置なら早い時刻」と、そろえた条件を言葉にしてから式を書きます。

誤り3　分を小数のままつなげて時間にする

誤った書き方は「1時間30分＝1.30時間、15×1.30＝19.5度」です。どこが違うかというと、時計の1時間は60分なのに、小数点以下を100分の区切りのように扱っています。30分は1時間の半分であって、0.30時間ではありません。

正しい書き方は「30÷60＝0.5、1時間30分＝1.5時間、15×1.5＝22.5度」です。小数に直すのが難しければ、1時間分の15度と30分分の7.5度を足してもかまいません。途中式に単位を添え、時間を求める割り算なのか、角度を求めるかけ算なのかを確認すると、計算の意味を保てます。

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練習問題

どの問題でも、計算の前に「見る方位」「同じにする条件」「変える条件」を短く書いてください。角度を答える問題では、回る向きも付け足します。以下では1時間に15度、1か月に30度、1日に同じ位置へ来る時刻が4分早まるものとします。

練習1

冬の大三角をつくる3つの星の名前を答え、それぞれが属する星座と組にしましょう。また、夏の大三角と同じ星が含まれているかも答えましょう。

練習2

同じ夜の20時に、ある星が北極星の真上にありました。22時30分までに何度、どちら回りに動きますか。また、22時30分には北極星から見て右上と左上のどちらにありますか。

練習3

6月1日21時に南中した星があります。8月1日にはおよそ何時に南中しますか。2か月分の変化を角度に直し、それを時間に直して求めましょう。明るさによる見えやすさは考えず、位置だけを計算します。

練習4

ある日に20時40分に南中した星は、10日後には何時何分に南中しますか。また、その10日後に20時40分に観察すると、星はすでに南中した後でしょうか、それとも南中する前でしょうか。理由も短く答えましょう。

答えと解説

練習1の答え：ベテルギウスとオリオン座、シリウスとおおいぬ座、プロキオンとこいぬ座です。夏の大三角と同じ星は含まれていません。大三角の名前だけでなく、星の名前と星座の名前を対にすると、別々の星座から3星を選んでいることも確かめられます。

練習2の答え：反時計回りに37.5度動き、北極星の左上にあります。2時間30分＝2.5時間なので、15×2.5＝37.5です。真上を出発して反時計回りに90度未満の回転なので、左上と判断できます。「左へ37.5度」だけでは回転の中心が曖昧になるため、北極星を中心とする回転と考えます。

練習3の答え：17時ごろです。2か月分は30×2＝60度で、時間に直すと60÷15＝4時間です。同じ位置へ来る時刻は早まるので、21−4＝17となります。17時に南中する計算になっても、その星が明るい空で実際に見つけられるとは限りません。

練習4の答え：20時00分で、20時40分には南中した後です。4×10＝40分だけ早まるので、20時40分から40分戻します。同じ20時40分なら、10日前より日周運動の向きへ進んだ位置にあるためです。分単位で扱う問題では、無理に1か月分の30度へ直さず、与えられた1日4分の条件を使います。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

星の動きで学ぶ「観察する側の動き」と「見かけの動き」の区別は、太陽や月の学習にもつながります。ただし、月は地球の周りを公転するため、背景の星に対する位置も日々変わります。星で使った「翌日は約4分早い」という規則を、そのまま月に当てはめないようにします。共通する原因と、それぞれに加わる動きを分けることが次の学習の土台です。

家庭で5分ほどでできる確かめ方の1つは、紙に北極星とその周りの円を描き、円の上に置いた小さな紙片を動かすことです。「真上から1時間後」「左端から1時間後」などと出発点を変え、15度ずつ反時計回りに動かします。分度器を中心に合わせれば、角度を測る頂点の確認にもなります。

もう1つは、星座早見で同じ日の20時と22時を比べた後、同じ20時で日付だけ1か月進めることです。明るい星を1つ選び、その移動がほぼ同じ向き・同じ大きさになるかを見ます。さらに翌月の18時に合わせ、最初の位置へほぼ戻るかを確かめます。目盛りの粗さによる違いはあっても、日付と時刻の効果を別々に操作できます。

屋外で観察する場合は保護者が付き添い、道路や暗い場所での移動を避け、安全に立ち止まれる場所を選びます。方位を確かめ、建物など動かない目印と星の位置を記録します。個別指導で解き方を確かめる際には、計算だけでなく、南を向いたときの左右や、30分を半時間と捉えられるかまで戻ります。説明できない部分を1つずつ見つけると、どこから考え直すかが具体になります。

まとめ

観察カードに星の絵だけが残っていると、別の日の記録と正しく比べることができません。方位、日付、時刻、地上の目印がそろって初めて、違いを星の動きとして読み取れます。お子さまが答えを直したときは、数字が合ったかに加えて「どの条件をそろえたのか」を一言説明できるか確かめてみてください。暗記した15度や30度が、観察を読むための数値に変わります。

星の動きの答えを決めるのは、星座の名前の多さではなく、観察の方位と日時です。