2025年大学《物理学》专业题库- 物理学中的宇宙论探讨

2025年大学《物理学》专业题库——物理学中的宇宙论探讨考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题3分，共30分。请将正确选项的字母填在括号内。）1.以下哪个观测现象是宇宙膨胀的主要证据？(A)宇宙微波背景辐射(B)宇宙中元素丰度的测量(C)星系红移现象(D)宇宙大尺度结构的形成2.爱因斯坦场方程左边表示什么？(A)时空的几何性质(B)物质和能量的分布(C)张量形式(D)度规张量3.根据弗里德曼方程，宇宙加速膨胀的主要驱动力是？(A)重子物质(B)暗物质(C)暗能量(D)宇宙尘埃4.宇宙暴胀理论主要解释了哪个宇宙学问题？(A)宇宙的起源(B)宇宙的膨胀(C)宇宙的元素合成(D)宇宙的磁场产生5.以下哪种宇宙模型允许宇宙无限膨胀？(A)平坦宇宙(B)封闭宇宙(C)开放宇宙(D)球面宇宙6.引力透镜效应产生的主要原因是？(A)星系的自转(B)宇宙尘埃的遮挡(C)光线经过大质量物体附近发生弯曲(D)宇宙膨胀导致的光线延迟7.目前观测认为宇宙中哪种成分占据的比例最大？(A)重子物质(B)暗物质(C)暗能量(D)星系8.宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的哪个阶段的遗迹？(A)大爆炸发生之初(B)宇宙早期，物质刚复现时(C)宇宙变得透明时(D)宇宙结构形成后9.广义相对论中的等效原理指出，在局部惯性系中，引力场可以被？(A)消除(B)改变(C)观察到(D)预测10.宇宙的平坦性是指？(A)宇宙的形状是平面(B)宇宙的曲率等于零(C)宇宙的年龄正好是特定值(D)宇宙的膨胀速度恒定二、填空题（每空3分，共30分。请将答案填在横线上。）1.描述宇宙膨胀快慢的物理量是________。2.广义相对论中描述时空几何的数学对象是________张量。3.根据大爆炸理论，宇宙微波背景辐射起源于宇宙年龄约为________年时的状态。4.暗物质主要通过________效应和________效应被间接探测到。5.暴胀理论预言了宇宙微波背景辐射具有________的特点。6.宇宙的动力学状态方程通常表示为w=p/ρ，其中ρ代表________，p代表________。7.如果宇宙的密度参数Ω>1，则宇宙是________的。8.简单说，宇宙暴胀是指宇宙在极早期经历了一段指数级的________。9.引力透镜能产生________和________等现象。10.广义相对论预言，引力场中光线传播路径会发生________。三、计算题（每题10分，共30分。请写出必要的公式、推导过程和结果。）1.假设哈勃常数H₀=70km/s/Mpc。计算距离我们1亿光年的星系的退行速度。(提示：1Mpc≈3.086×10²²m)2.在平坦宇宙模型下，宇宙年龄的估算公式为t₀=2/3H₀。请使用上述给定的哈勃常数H₀=70km/s/Mpc，估算宇宙的年龄。(结果保留一位小数)3.已知宇宙的总能量密度Ω_total≈1，其中重子物质能量密度Ω_b≈0.05，暗物质能量密度Ω_暗物≈0.27。假设暗能量的能量密度保持不变（Ω_暗能=1-Ω_b-Ω_暗物）。请计算暗能量所占的百分比。四、简答题（每题8分，共24分。请简要回答下列问题。）1.简述大爆炸理论与“宇宙膨胀”的关系。2.简要说明广义相对论是如何描述引力现象的，它与牛顿引力有何根本不同？3.什么是暗物质？它有哪些主要的间接证据？五、论述题（16分。请结合所学知识，深入分析和阐述下列问题。）讨论暗能量的性质及其对现代宇宙学的影响。请说明当前主要的暗能量模型有哪些，并简述其基本思想。试卷答案一、选择题1.(C)2.(A)3.(C)4.(A)5.(C)6.(C)7.(C)8.(C)9.(A)10.(B)二、填空题1.哈勃常数2.度规3.38万4.质量亏损，引力透镜5.高度各向同性，微小各向异性6.总能量密度，压强7.开放8.膨胀9.时光延迟，图像扭曲（或：多重像）10.弯曲三、计算题1.解：v=H₀dd=1亿光年=1×10⁸lyr1lyr≈9.46×10¹⁵md≈1×10⁸×9.46×10¹⁵m=9.46×10²³mH₀=70km/s/Mpc=70km/s/(3.086×10²²m)≈2.27×10⁻¹⁸s⁻¹v=(2.27×10⁻¹⁸s⁻¹)×(9.46×10²³m)≈2.15×10⁶m/s=2150km/s结果：v≈2150km/s2.解：t₀=2/3H₀H₀=70km/s/Mpc≈2.27×10⁻¹⁸s⁻¹t₀=2/3×(2.27×10⁻¹⁸s⁻¹)≈1.51×10¹⁸s1年≈3.15×10⁷st₀≈1.51×10¹⁸s/(3.15×10⁷s/yr)≈4.8×10¹⁰yr结果：t₀≈4.8×10¹⁰yr3.解：Ω_暗能=1-Ω_b-Ω_暗物=1-0.05-0.27=0.68暗能量占比=Ω_暗能×100%=0.68×100%=68%结果：暗能量占比为68%。四、简答题1.答：宇宙膨胀是指宇宙空间本身随时间膨胀，导致宇宙中遥远的天体相互远离。大爆炸理论是描述宇宙起源和演化的理论，它认为宇宙起源于大约138亿年前一个极端致密炽热的状态，并从此一直在膨胀。大爆炸理论解释了宇宙的膨胀，哈勃定律、宇宙微波背景辐射等都是其重要证据。宇宙膨胀是大爆炸理论的自然推论，而非其前提。2.答：广义相对论是爱因斯坦提出的关于引力的理论，它将引力描述为时空的几何属性。根据该理论，物质和能量的存在会使时空发生弯曲，而物体（包括光线）是在这种弯曲的时空中沿着“最短路径”（测地线）运动，我们感受到的引力正是这种时空弯曲的表现。其核心思想是等效原理（局部与惯性系无法区分）和一般协变性（物理定律在所有参考系中形式相同）。与牛顿引力认为引力是超距作用力不同，广义相对论将引力与时空的几何性质直接关联，是局域的、几何的理论。3.答：暗物质是一种不与电磁力相互作用或相互作用极其微弱的物质形式，因此难以直接观测到，但其存在可以通过其引力效应被间接探测到。主要的间接证据包括：*星系旋转曲线：星系外围恒星的旋转速度远超仅由可见物质产生的引力所能束缚的速度。*星系团动力学：星系团中星系和热气体的运动速度远超团内总可见物质所能提供的引力束缚，需要额外的暗物质引力来维持。*宇宙大尺度结构形成：计算机模拟表明，暗物质提供的引力势阱是形成星系、星系团等大尺度结构的关键。*引力透镜效应：大质量天体（可能包含暗物质）后方天体的光线发生弯曲，其引力效应比可见物质预测的更强。五、论述题答：暗能量是当前宇宙学中最重要的谜团之一，它被认为是导致宇宙加速膨胀的未知能量形式，占据了宇宙总能量密度的约70%。暗能量的性质尚不完全清楚，但它对现代宇宙学产生了深远影响：1.决定宇宙命运：暗能量的存在和性质决定了宇宙最终的演化结局。如果暗能量保持不变（如模态能量），宇宙将永远膨胀下去，并最终走向“热寂”或“大撕裂”。2.驱动宇宙加速膨胀：大量的观测证据（如超新星Ia测光距离、宇宙微波背景辐射各向异性、大尺度结构统计）表明宇宙在加速膨胀，这只能由暗能量提供一种负压强来实现。3.影响宇宙几何：暗能量的存在使得宇宙的几何可能非常接近平坦。当前主要的暗能量模型包括：*标量场模型（如冷暗能量CDM）：提出存在一种具有恒定负压强的标量场（暗能量场），其能量密度随宇宙膨胀而变化（通常假设其密度保持不变或缓慢变化）。这是目前Lambda-CDM模型中采用的形式，用参数Λ（宇宙学常数）来代表其总效应。*修正引力量子场论：不仅仅是修改引力理论（如标量-