太陽系と天体の運動（知識）の問題
1851年、フーコーはパリのパンテオンで、長いワイヤーに重いおもりをつるした振り子を振らせた。この振り子は、慣性によって同じ面内で振動を続けようとする。しかし、観測者には振動面が少しずつ回転していくように見えた。これは、振り子の下で地面が地球の自転とともに回転しているためである。
北半球のある地点でこの振り子を振らせると、振動面は上から見て にゆっくり回転していくように見える。また、この振動面の回転の速さは、振り子を振らせる地点の緯度が ほど速い。
文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 反時計回り | 高い |
| イ | 反時計回り | 低い |
| ウ | 時計回り | 高い |
| エ | 時計回り | 低い |
この問題で使うもの
- 地球の自転・公転の証拠（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（3 技能）
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ヒント
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ヒント 1
フーコーの振り子の振動面は空間に対して向きを保ち、その下で地面が地球の自転とともに回転する、という考え方を使おう。
ヒント 2
北極の上空から見ると、地球は反時計回りに自転している。地面と一緒に回る観測者には、振動面は地面と逆向きに回るように見える。また、北極点・南極点と赤道上とで、地面が鉛直軸のまわりに回転する様子を比べてみよう。
ヒント 3
a は「時計回り」と「反時計回り」のどちらかに決まり、それだけで選択肢は 2 つに絞れる。残る 2 つは、赤道上で振動面が回転するかどうかを考えて比べよう。
答えと解説
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ウ
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解説を読む
【a について】地球は、北極の上空から見て反時計回り（西から東）に自転している。北半球の地点では、振り子の振動面は空間に対してほぼ一定の向きを保とうとするのに対し、その下の地面は鉛直軸のまわりを上から見て反時計回りに回転していく。地面とともに回転している観測者から見ると、振動面は地面と逆向き、つまり上から見て時計回りに回転していくように見える。（南半球では逆に、反時計回りに回転して見える。）
【b について】振動面が回転して見えるのは、観測地点の鉛直軸のまわりで地面が回転しているからである。北極点や南極点では、地面が鉛直軸のまわりに約 1 日で 1 回転するので、振動面の回転は最も速い。緯度が低くなるほど、地面の鉛直軸のまわりの回転は小さくなり、振動面の回転は遅くなる。赤道上では、振動面は回転しない。したがって、回転の速さは緯度が高いほど速い。
よって、a は「時計回り」、b は「高い」となり、正解はウである。
【ほかの選択肢】
- ア：b は正しいが、a が誤り。反時計回りに見えるのは南半球で振らせた場合である。
- イ：a・b ともに誤り。北半球では時計回りに見え、回転は緯度が高いほど速い。
- エ：a は正しいが、b が誤り。赤道上では振動面は回転せず、緯度が低いほど回転は遅い。
なお、フーコーの振り子は地球の自転の証拠である。地球の公転の証拠には、年周視差や年周光行差がある。
別解
フーコーの振り子では、振動面は慣性により空間に対して一定に保たれ、地面のほうが地球とともに回転する。北半球では、地球は北極上空から見て反時計回りに自転している。地面は振動面に対して反時計回りに回るので、地面に立つ観測者から見ると、振動面は逆の向き、つまり時計回りに回転して見える。
回転の速さは、地球の自転角速度の鉛直成分 に比例する。したがって、1日あたりの回転角は になる。極 () で最大、赤道で 0 となるので、緯度が高いほど速い。
以上より a は時計回り、b は高い。
各選択肢の検討:
ア: a が反時計回りで誤り。
イ: a も b も誤り。
ウ: a が時計回り、b が高いで正しい。
エ: b が低いで誤り。
答えはウ。