2026年天文競(jìng)賽星系紅移現(xiàn)象分析練習(xí)題及解析一、選擇題（共5題，每題2分，共10分）1.關(guān)于星系紅移現(xiàn)象的描述，下列哪項(xiàng)是正確的？A.紅移現(xiàn)象僅發(fā)生在距離地球較遠(yuǎn)的星系中B.紅移現(xiàn)象是由于星系在空間中遠(yuǎn)離地球而導(dǎo)致的C.紅移現(xiàn)象只能通過(guò)光譜線(xiàn)的藍(lán)移來(lái)觀測(cè)D.紅移現(xiàn)象與星系的質(zhì)量直接相關(guān)2.哈勃定律描述了星系紅移與距離的關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為v=H?d，其中H?代表什么？A.星系的視星等B.星系的絕對(duì)星等C.哈勃常數(shù)D.紅移系數(shù)3.多普勒效應(yīng)在星系紅移現(xiàn)象中的應(yīng)用，下列說(shuō)法正確的是？A.紅移現(xiàn)象僅適用于電磁波，不適用于引力波B.藍(lán)移現(xiàn)象是紅移現(xiàn)象的逆過(guò)程C.紅移和藍(lán)移現(xiàn)象均由星系相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)引起D.紅移現(xiàn)象只能解釋星系在空間中的運(yùn)動(dòng)，不能解釋宇宙膨脹4.宇宙微波背景輻射的紅移值約為z=1100，這意味著該輻射起源于宇宙大爆炸后的多長(zhǎng)時(shí)間？A.大爆炸發(fā)生后的38萬(wàn)年B.大爆炸發(fā)生后的138億年C.宇宙半徑為當(dāng)前宇宙半徑的1/1100時(shí)D.宇宙年齡的一半5.以下哪種方法可以用來(lái)測(cè)量星系的紅移值？A.直接測(cè)量星系的光度B.分析星系光譜中的吸收線(xiàn)或發(fā)射線(xiàn)C.通過(guò)星系的幾何形狀來(lái)判斷D.測(cè)量星系的自轉(zhuǎn)速度二、填空題（共5題，每題2分，共10分）1.星系紅移現(xiàn)象通常用紅移值z(mì)來(lái)表示，其定義為光譜線(xiàn)波長(zhǎng)偏移的量。2.哈勃常數(shù)H?的單位通常是千米每秒每兆秒差距（km/s/Mpc）。3.宇宙微波背景輻射的紅移值z(mì)=1100，表明該輻射的波長(zhǎng)在原始狀態(tài)下是當(dāng)前觀測(cè)到的11倍。4.紅移現(xiàn)象的解釋基于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和多普勒效應(yīng)。5.在星系光譜中，由于紅移導(dǎo)致吸收線(xiàn)向光譜的長(zhǎng)波端移動(dòng)。三、簡(jiǎn)答題（共5題，每題4分，共20分）1.簡(jiǎn)述星系紅移現(xiàn)象的定義及其觀測(cè)依據(jù)。要求：解釋紅移現(xiàn)象的物理意義，并說(shuō)明如何通過(guò)光譜線(xiàn)偏移進(jìn)行觀測(cè)。2.哈勃定律的內(nèi)容及其在天文學(xué)中的作用是什么？要求：描述哈勃定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說(shuō)明其在宇宙膨脹研究中的重要性。3.多普勒效應(yīng)如何解釋星系紅移現(xiàn)象？要求：闡述多普勒效應(yīng)的基本原理，并說(shuō)明其在星系紅移中的應(yīng)用。4.宇宙微波背景輻射的紅移值z(mì)=1100的物理意義是什么？要求：解釋該紅移值如何反映宇宙大爆炸的早期狀態(tài)。5.紅移值z(mì)與星系退行速度v之間的關(guān)系如何？要求：說(shuō)明哈勃定律中v=H?d的推導(dǎo)過(guò)程，并解釋H?的物理意義。四、計(jì)算題（共3題，每題6分，共18分）1.已知某星系的紅移值z(mì)=0.5，求該星系的退行速度v（假設(shè)哈勃常數(shù)H?=70km/s/Mpc，且距離d=1Mpc）。要求：列出計(jì)算公式，并給出最終結(jié)果。2.觀測(cè)到某星系的光譜線(xiàn)在可見(jiàn)光區(qū)域（波長(zhǎng)550nm）發(fā)生了0.1nm的紅移，求該星系的紅移值z(mì)。要求：使用紅移公式λ_obs=λ_em(z)進(jìn)行計(jì)算，并說(shuō)明結(jié)果。3.假設(shè)宇宙膨脹的哈勃常數(shù)H?=67km/s/Mpc，且某星系的紅移值z(mì)=2，求該星系的距離d。要求：結(jié)合哈勃定律和紅移公式進(jìn)行計(jì)算，并給出最終結(jié)果。五、論述題（共2題，每題8分，共16分）1.論述星系紅移現(xiàn)象對(duì)宇宙膨脹理論的重要性。要求：解釋紅移現(xiàn)象如何支持宇宙膨脹模型，并說(shuō)明其在宇宙學(xué)中的地位。2.比較紅移現(xiàn)象與藍(lán)移現(xiàn)象的區(qū)別，并舉例說(shuō)明藍(lán)移現(xiàn)象的觀測(cè)實(shí)例。要求：分析紅移和藍(lán)移的物理機(jī)制差異，并給出實(shí)際觀測(cè)案例。答案及解析一、選擇題答案及解析1.B解析：紅移現(xiàn)象是指星系光譜線(xiàn)向長(zhǎng)波端移動(dòng)，通常由星系遠(yuǎn)離地球的退行運(yùn)動(dòng)引起。選項(xiàng)A錯(cuò)誤，紅移現(xiàn)象在近處星系也存在；選項(xiàng)C錯(cuò)誤，紅移和藍(lán)移均可觀測(cè)；選項(xiàng)D錯(cuò)誤，紅移與星系質(zhì)量無(wú)直接關(guān)系。2.C解析：哈勃定律描述星系退行速度v與距離d成正比，比例系數(shù)H?為哈勃常數(shù)，代表宇宙膨脹速率。3.B解析：藍(lán)移是紅移的逆過(guò)程，均由相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起；選項(xiàng)A錯(cuò)誤，多普勒效應(yīng)適用于所有波；選項(xiàng)C錯(cuò)誤，紅移還可能由宇宙膨脹引起；選項(xiàng)D錯(cuò)誤，紅移可解釋宇宙膨脹。4.B解析：宇宙微波背景輻射的紅移z=1100對(duì)應(yīng)大爆炸后約38萬(wàn)年的狀態(tài)，此時(shí)宇宙已冷卻至允許光子自由傳播。5.B解析：通過(guò)分析光譜線(xiàn)偏移可定量測(cè)量紅移值；選項(xiàng)A、C、D均無(wú)法直接測(cè)量紅移。二、填空題答案及解析1.紅移值z(mì)解析：紅移值定義為光譜線(xiàn)波長(zhǎng)偏移量，通常用z表示，z=(λ_obs-λ_em)/λ_em。2.千米每秒每兆秒差距解析：哈勃常數(shù)H?的單位為km/s/Mpc，表示每兆秒差距（1Mpc=3.26億光年）距離對(duì)應(yīng)的退行速度。3.11倍解析：紅移z=1100意味著原始波長(zhǎng)λ_em是當(dāng)前觀測(cè)到的λ_obs的11倍。4.廣義相對(duì)論和多普勒效應(yīng)解析：紅移現(xiàn)象的解釋結(jié)合了愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)模型和多普勒效應(yīng)的頻率偏移原理。5.長(zhǎng)波端解析：紅移使光譜線(xiàn)向光譜的紅端（長(zhǎng)波）移動(dòng)，藍(lán)移則向短波端移動(dòng)。三、簡(jiǎn)答題答案及解析1.星系紅移現(xiàn)象的定義及其觀測(cè)依據(jù)答：星系紅移現(xiàn)象是指星系光譜線(xiàn)向長(zhǎng)波端移動(dòng)的現(xiàn)象，通常由星系遠(yuǎn)離地球的退行運(yùn)動(dòng)引起。觀測(cè)依據(jù)是分析光譜線(xiàn)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室參考譜的偏移量，通過(guò)測(cè)量吸收線(xiàn)或發(fā)射線(xiàn)的波長(zhǎng)變化來(lái)確定紅移值。2.哈勃定律的內(nèi)容及其在天文學(xué)中的作用答：哈勃定律描述星系退行速度v與距離d成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為v=H?d，其中H?為哈勃常數(shù)。該定律支持宇宙膨脹模型，是宇宙學(xué)研究的基石。3.多普勒效應(yīng)如何解釋星系紅移現(xiàn)象答：多普勒效應(yīng)描述波源與觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)頻率的變化。星系遠(yuǎn)離地球時(shí)，光波被“拉伸”，頻率降低，波長(zhǎng)增加，表現(xiàn)為紅移；反之，靠近地球則藍(lán)移。4.宇宙微波背景輻射的紅移值z(mì)=1100的物理意義答：z=1100表明宇宙微波背景輻射起源于大爆炸后約38萬(wàn)年的狀態(tài)，此時(shí)宇宙已冷卻至允許光子自由傳播，形成cmb。5.紅移值z(mì)與星系退行速度v之間的關(guān)系答：根據(jù)哈勃定律，v=H?d，結(jié)合紅移公式λ_obs=λ_em(1+z)，可得v≈H?d，說(shuō)明紅移值與退行速度成正比。四、計(jì)算題答案及解析1.計(jì)算退行速度v解：v=H?d=70km/s/Mpc×1Mpc=70km/s。答：退行速度v=70km/s。2.計(jì)算紅移值z(mì)解：紅移公式λ_obs=λ_em(1+z)，z=(λ_obs/λ_em-1)=(550.1nm/550nm-1)≈0.0018。答：紅移值z(mì)≈0.0018。3.計(jì)算距離d解：d=v/H?=zH?=2×67km/s/Mpc=134Mpc。答：距離d=134Mpc。五、論述題答案及解析1.星系紅移現(xiàn)象對(duì)宇宙膨脹理論的重要性答：紅移現(xiàn)象是宇宙膨脹的直接證據(jù)，表明星系在空間中遠(yuǎn)離地球。哈勃定律基于紅移觀測(cè)，推導(dǎo)出宇宙膨脹模型，進(jìn)而支持大爆炸理論。紅移值隨距離增加而增大，驗(yàn)證了宇宙膨脹的均勻性。2.