2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)與工程的分子模擬技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪一項(xiàng)不屬于分子模擬技術(shù)的常見(jiàn)分類？A.分子力學(xué)(MM)B.量子力學(xué)(QM)C.分子動(dòng)力學(xué)(MD)D.光學(xué)顯微鏡技術(shù)2.在分子力學(xué)模擬中，確定分子能量主要依據(jù)的是？A.分子軌道能B.原子核與電子的相互作用能C.原子間的距離和角度所決定的勢(shì)能函數(shù)D.分子光譜數(shù)據(jù)3.下列哪種系綜在模擬過(guò)程中能夠保證系統(tǒng)體積和壓力保持恒定？A.純NVT系綜B.純NVE系綜C.NPT系綜D.microcanonical系綜4.蒙特卡洛方法主要適用于模擬哪種類型的系統(tǒng)或性質(zhì)？A.需要精確軌道信息的系統(tǒng)B.計(jì)算量巨大的晶態(tài)系統(tǒng)C.熱力學(xué)性質(zhì)預(yù)測(cè)，尤其是在平衡態(tài)下的概率分布D.需要追蹤粒子詳細(xì)軌跡的系統(tǒng)5.QM方法通常比MM方法計(jì)算量大的主要原因是？A.考慮了更多的粒子B.處理了更復(fù)雜的相互作用C.需要解決薛定諤方程，其計(jì)算復(fù)雜度隨體系規(guī)模呈指數(shù)增長(zhǎng)D.需要考慮相對(duì)論效應(yīng)6.在藥物設(shè)計(jì)中，分子對(duì)接技術(shù)主要利用了以下哪種模擬方法的核心思想？A.分子動(dòng)力學(xué)模擬原子運(yùn)動(dòng)軌跡B.量子化學(xué)計(jì)算電子結(jié)構(gòu)C.蒙特卡洛方法隨機(jī)搜索構(gòu)象D.基于距離和角度的勢(shì)能函數(shù)計(jì)算相互作用能7."力場(chǎng)"在分子模擬中扮演的角色是？A.精確描述分子內(nèi)部所有微觀相互作用B.提供分子結(jié)構(gòu)的初始猜測(cè)C.模擬分子在電場(chǎng)中的行為D.定義模擬的系綜類型8.分子動(dòng)力學(xué)模擬中，時(shí)間積分方程通常采用哪些方法求解？(多選)A.Verlet算法B.Fourier變換C.純粹的數(shù)學(xué)推導(dǎo)D.Leapfrog算法9.下列哪項(xiàng)是分子模擬計(jì)算中需要考慮的重要誤差來(lái)源？A.軟件運(yùn)行產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲B.力場(chǎng)參數(shù)化帶來(lái)的近似C.計(jì)算機(jī)CPU主頻D.用戶輸入的初始速度為零10.混合量子力學(xué)/分子力學(xué)(QM/MM)方法通常用于？A.模擬極性溶劑環(huán)境B.研究蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)或催化中心C.計(jì)算純氣相體系的能量D.模擬金屬表面的電子結(jié)構(gòu)二、填空題1.分子模擬通過(guò)數(shù)值方法求解________方程（或其近似）來(lái)模擬分子系統(tǒng)的行為。2.常用的分子力學(xué)力場(chǎng)如AMBER、CHARMM、GROMACS等，它們通?；赺_______勢(shì)能函數(shù)。3.分子動(dòng)力學(xué)模擬中，描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的基本方程是________方程。4.為了使模擬結(jié)果能代表宏觀體系的性質(zhì)，需要進(jìn)行足夠的________，確保系綜或構(gòu)象采樣充分。5.計(jì)算單個(gè)分子基態(tài)能量最精確的方法通常是________方法。6.在MM-GBSA等自由能計(jì)算方法中，GBSA代表________。7.分子模擬中，處理長(zhǎng)程靜電相互作用常用的方法有________和________。8.蒙特卡洛方法通過(guò)隨機(jī)抽樣來(lái)估計(jì)________或________。9.評(píng)估分子動(dòng)力學(xué)模擬穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)是觀察系統(tǒng)的________是否隨時(shí)間趨于平穩(wěn)。10.分子模擬在材料科學(xué)中可用于預(yù)測(cè)材料的________、________等性質(zhì)。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述分子力學(xué)（MM）方法的基本原理及其主要局限性。2.簡(jiǎn)述分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬的基本過(guò)程，并說(shuō)明其能提供哪些類型的信息。3.解釋什么是系綜，并簡(jiǎn)要說(shuō)明NVT、NVE、NPT三種系綜的區(qū)別和適用場(chǎng)景。4.簡(jiǎn)述分子模擬在藥物設(shè)計(jì)中的一個(gè)具體應(yīng)用，并說(shuō)明其優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題假設(shè)一個(gè)由三個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)（例如，一個(gè)線性三原子分子），其哈密頓量為H=p?2/2m+p?2/2m+p?2/2m+V(r?,r?,r?)，其中p?是第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量，m是質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，V是勢(shì)能函數(shù)。假設(shè)在NVE系綜下，使用簡(jiǎn)單的Verlet算法進(jìn)行時(shí)間積分，時(shí)間步長(zhǎng)為δt。1.寫出牛頓第二定律應(yīng)用于此系統(tǒng)的形式（用坐標(biāo)r?和力F?=-?V表示）。2.請(qǐng)寫出使用Verlet算法更新坐標(biāo)r???和速度v???的遞推公式（假設(shè)初始時(shí)刻t?的坐標(biāo)r?和速度v?已知）。注意：此處的Verlet算法是“速度無(wú)關(guān)”形式。五、論述題結(jié)合你所學(xué)的分子模擬知識(shí)，論述分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬在研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和功能中的重要作用。請(qǐng)說(shuō)明MD模擬可以提供哪些方面的信息，并討論其在應(yīng)用中可能遇到的主要挑戰(zhàn)和局限性。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.C6.D7.A8.A,D9.B10.B二、填空題1.薛定諤(或狄拉克)2.經(jīng)驗(yàn)(或模型)3.牛頓(第二)(或N)4.平衡(或平衡化)5.密度泛函理論(或DFT)6.GeneralizedBornSolventAccessibleSurfaceArea(或廣義玻恩溶劑可及表面積)7.粒子群(或ParticleMeshEwald,PME)8.熱力學(xué)量(或熱力學(xué)性質(zhì))9.系綜相關(guān)量(或摘、擴(kuò)散系數(shù)等系綜相關(guān)性質(zhì))10.結(jié)構(gòu)(或相結(jié)構(gòu))、力學(xué)(或穩(wěn)定性、力學(xué)性質(zhì))三、簡(jiǎn)答題1.原理:MM基于經(jīng)典力學(xué)，假設(shè)原子是點(diǎn)質(zhì)量，分子間相互作用由預(yù)定義的勢(shì)能函數(shù)描述（通常包含鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角、范德華力和庫(kù)侖力項(xiàng)）。通過(guò)求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程得到原子軌跡，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)的能量、力、熱力學(xué)性質(zhì)等。局限性:(1)基于經(jīng)典近似，忽略量子效應(yīng)（如零點(diǎn)能、隧道效應(yīng)）；(2)勢(shì)能函數(shù)是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的，存在參數(shù)化誤差，且對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)象、長(zhǎng)程相互作用、溶劑效應(yīng)等處理不夠精確；(3)無(wú)法直接計(jì)算電子結(jié)構(gòu)相關(guān)的性質(zhì)（如光譜）。2.過(guò)程:(1)建立體系的初始結(jié)構(gòu)；(2)選擇力場(chǎng)和模擬環(huán)境（如溶劑、溫度、壓力）；(3)選擇系綜或約束條件；(4)進(jìn)行平衡階段，使系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)；(5)進(jìn)行生產(chǎn)階段，運(yùn)行足夠時(shí)間收集數(shù)據(jù)；(6)分析軌跡和輸出數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)、能量、速度等）。信息:MD能提供原子/分子的三維結(jié)構(gòu)、構(gòu)象變化、振動(dòng)頻率、溫度、壓力、擴(kuò)散系數(shù)、剪切模量等動(dòng)態(tài)信息和力學(xué)性質(zhì)，可以模擬分子運(yùn)動(dòng)軌跡，觀察分子間相互作用過(guò)程。3.定義:系綜是在相空間中定義的一個(gè)假想巨大系綜，其微觀狀態(tài)的概率分布符合給定的統(tǒng)計(jì)力學(xué)分布（如NVT、NPT），用于模擬特定宏觀條件下（如恒定溫度、恒定壓力）的平衡體系，其性質(zhì)可以用系綜平均值表示。區(qū)別與適用:*NVE(Microcanonical):恒定原子數(shù)(N)、恒定體積(V)、恒定能量(E)。適用于孤立系統(tǒng)，如氣體在恒容絕熱容器中。計(jì)算簡(jiǎn)單，但計(jì)算得到的壓力可能與目標(biāo)值有較大偏差。*NVT(Canonical):恒定原子數(shù)(N)、恒定體積(V)、恒定溫度(T)。通過(guò)耦合熱?。ê銣仄鳎?shí)現(xiàn)。適用于大多數(shù)溶液或小氣相體系，能較好地控制溫度，但體系體積固定，可能不適用于壓力變化顯著的過(guò)程。*NPT(Nose-Hoover):恒定原子數(shù)(N)、恒定壓力(P)、恒定溫度(T)。通過(guò)耦合熱浴和壓力?。∟osé-Hoover系綜或Andersen系綜）實(shí)現(xiàn)。能自動(dòng)調(diào)節(jié)體系體積以適應(yīng)壓力變化，更接近許多實(shí)際反應(yīng)條件（如高壓、氣相），但模擬實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。4.應(yīng)用:例如，在藥物設(shè)計(jì)中，利用MD模擬研究藥物小分子與靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的結(jié)合模式。通過(guò)模擬兩者結(jié)合前后的構(gòu)象變化、相互作用能（如氫鍵、范德華力）和結(jié)合自由能，可以預(yù)測(cè)結(jié)合親和力，篩選具有高親和力的候選藥物分子。優(yōu)勢(shì):(1)可在原子水平上詳細(xì)揭示結(jié)合機(jī)制和動(dòng)力學(xué)；(2)可評(píng)估結(jié)合位點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)和柔性；(3)可模擬篩選中難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的條件。挑戰(zhàn):(1)模擬時(shí)間尺度有限，難以捕捉長(zhǎng)程動(dòng)力學(xué)過(guò)程；(2)力場(chǎng)參數(shù)化對(duì)結(jié)果影響較大；(3)結(jié)合自由能計(jì)算本身存在誤差；(4)計(jì)算成本高。四、計(jì)算題1.牛頓第二定律應(yīng)用于第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)：F?=m*a?=m*d2r?/dt2=-?V(r?,r?,...,r?)。其中V是依賴于所有三個(gè)質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)r?,r?,r?的勢(shì)能函數(shù)。2