博物馆共展出6件相对完整的古人类头盖骨化石模型。“这是‘北京人’第V号头盖骨化石模型，属于一名成年男性，脑容量约为1140毫升。”讲解员介绍，化石原件由四部分组成，包括1934年发现的左侧颞骨及其相连部分、1936年辨认出的右侧颞骨破片、1966年发现的完整额骨以及右半枕骨和部分顶骨。其中1934年及1936年出土的部分化石原件失踪，1966年出土的额骨及枕骨目前保存在中国科学院古脊椎动物与古人类研究所。
展厅里还有“北京人”肢骨模型。通过对出土的人类肢骨进行研究，可推算出当时“北京人”的身高——男性约为1.56米，女性约为1.44米。
一面布满石器的黑色展墙吸引了记者的目光。“龙骨山猿人洞出土了10万余件石器，我们选取其中的500件做成了这面石器墙。”讲解员说。这些石器种类丰富，包括刮削器、砍砸器、尖状器等，可以满足“北京人”采集、狩猎、防身、分割食物等需求。
第三展厅着重介绍了“山顶洞人”的发现。1933年，考古工作者对山顶洞进行发掘，发现了40多件人类化石，分属于8个不同的个体，其中有3颗比较完整的头骨。通过头骨对“山顶洞人”进行头像复原，可以看出“山顶洞人”已经很接近现代人的相貌。据科学研究，“山顶洞人”男性身高约为1.74米，女性约1.59米，比“北京人”高出不少。
展柜里陈列着一枚细长的骨针。它是用老虎的骨头磨制而成，长约82毫米，略带弯曲，表明曾被使用过很长时间。骨针的出现，说明那时候人类已经学会缝制衣物抵御寒冷。
一组“山顶洞人”的饰品也很有趣。讲解员告诉记者，“山顶洞人”已经有了爱美之心，他们将动物头骨、牙齿、贝壳、骨管等用野兽的筋串在一起，戴在身上打扮自己。
博物馆里还能看到许多动物化石标本，比如和“北京人”同时期的中国鬣狗完整骨架、李氏野猪头骨、肿骨大角鹿头骨等，还有“山顶洞人”时期的洞熊和老虎骨架。这些动物化石为古生物学及远古时期环境气候研究提供了重要资料。
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