2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子熱力學(xué)模擬與分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪個(gè)狀態(tài)函數(shù)是廣度性質(zhì)？（）A.熵B.溫度C.壓力D.吉布斯自由能2.在恒定溫度和壓力下，一個(gè)系統(tǒng)自發(fā)變化的方向是？（）A.熵增加B.焓減少C.吉布斯自由能減少D.亥姆霍茲自由能增加3.分子動(dòng)力學(xué)模擬主要基于什么原理？（）A.統(tǒng)計(jì)力學(xué)B.經(jīng)典力學(xué)C.量子力學(xué)D.相對(duì)論4.下面哪種方法不屬于蒙特卡洛模擬？（）A.馬爾可夫鏈蒙特卡洛B.分子動(dòng)力學(xué)C.剛體動(dòng)力學(xué)D.配分函數(shù)計(jì)算5.分子力學(xué)方法主要解決什么問(wèn)題？（）A.求解薛定諤方程B.計(jì)算體系的熵C.優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)D.模擬分子運(yùn)動(dòng)6.NVT系綜指的是什么？（）A.等溫等壓系綜B.等溫等體系綜C.等溫等壓系綜，粒子數(shù)不變D.等溫等體系綜，粒子數(shù)可變7.在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，時(shí)間步長(zhǎng)選擇過(guò)大會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題？（）A.計(jì)算速度加快B.能量守恒性變差C.計(jì)算精度提高D.模擬結(jié)果更準(zhǔn)確8.下列哪個(gè)軟件不是常用的分子模擬軟件？（）A.GROMACSB.AMBERC.CHARMMD.LAMMPS9.汽化能可以通過(guò)什么方法計(jì)算？（）A.分子動(dòng)力學(xué)模擬B.蒙特卡洛模擬C.分子力學(xué)計(jì)算D.以上都是10.分子模擬結(jié)果的誤差主要來(lái)源于哪些方面？（）A.力場(chǎng)參數(shù)B.模擬時(shí)間C.系綜選擇D.以上都是二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.熱力學(xué)第一定律指出，能量________，既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，只能從一種形式________為另一種形式，或者從一個(gè)物體________到另一個(gè)物體。2.熵是一個(gè)________函數(shù)，它反映了系統(tǒng)的________。3.分子力學(xué)方法通過(guò)建立分子間的相互作用勢(shì)能函數(shù)來(lái)描述分子體系的能量，常用的勢(shì)能函數(shù)包括________勢(shì)能函數(shù)和________勢(shì)能函數(shù)。4.分子動(dòng)力學(xué)模擬中，常用的積分算法有________算法和________算法。5.蒙特卡洛模擬主要通過(guò)________方法來(lái)估計(jì)系統(tǒng)的平均值。6.分子模擬中，系綜的選擇會(huì)影響模擬結(jié)果，例如NVT系綜適用于研究________條件下的體系，而NPT系綜適用于研究________條件下的體系。7.在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，通常需要設(shè)置弛豫時(shí)間來(lái)讓系統(tǒng)達(dá)到平衡，常用的弛豫方法有________和________。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)明扼要地回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述吉布斯自由能的含義及其在化學(xué)過(guò)程中的作用。2.比較分子動(dòng)力學(xué)模擬和蒙特卡洛模擬的優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述分子力學(xué)方法的基本原理及其應(yīng)用范圍。4.解釋什么是系綜，并說(shuō)明NVT系綜和NPT系綜的區(qū)別。四、計(jì)算題（每題10分，共20分。請(qǐng)根據(jù)題目要求進(jìn)行計(jì)算，并簡(jiǎn)要說(shuō)明計(jì)算思路。）1.某體系的分子構(gòu)型由三個(gè)原子組成，原子間距離分別為r1=1.0?，r2=1.5?，r3=2.0?。假設(shè)原子間相互作用勢(shì)能函數(shù)為V(r)=A/r^12-B/r^6，其中A=4.0kJ·mol^-1·?^12，B=1.0kJ·mol^-1·?^6。請(qǐng)計(jì)算該體系的勢(shì)能。2.假設(shè)一個(gè)體系在NVT系綜下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，體系溫度為300K，粒子數(shù)為100，盒子邊長(zhǎng)為10?。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬方案，包括模擬時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)、系綜選擇等參數(shù)，并說(shuō)明如何計(jì)算體系的平均勢(shì)能和動(dòng)能。五、論述題（10分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，回答下列問(wèn)題。）1.討論分子熱力學(xué)模擬在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并舉例說(shuō)明如何利用模擬方法篩選潛在的藥物分子。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.B5.C6.C7.B8.D9.D10.D二、填空題1.是守恒的，轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)移2.廣度，混亂程度3.離散，連續(xù)4.Verlet，Leapfrog5.隨機(jī)抽樣6.等溫，等壓7.約束法，溫度耦合三、簡(jiǎn)答題1.吉布斯自由能是指在恒溫恒壓條件下，體系可以做非膨脹功的最大值。它決定了化學(xué)反應(yīng)的方向和平衡位置。當(dāng)吉布斯自由能減少時(shí)，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)吉布斯自由能增加時(shí)，反應(yīng)非自發(fā)。2.分子動(dòng)力學(xué)模擬基于經(jīng)典力學(xué)，可以模擬分子運(yùn)動(dòng)，計(jì)算體系的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)，但需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，且對(duì)勢(shì)能函數(shù)的依賴性強(qiáng)。蒙特卡洛模擬基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)，可以模擬體系的平衡性質(zhì)，計(jì)算時(shí)間相對(duì)較短，但對(duì)統(tǒng)計(jì)漲落的敏感性強(qiáng)。3.分子力學(xué)方法通過(guò)建立分子間的相互作用勢(shì)能函數(shù)來(lái)描述分子體系的能量。它可以將分子體系的能量表示為原子坐標(biāo)的函數(shù)，并通過(guò)能量最小化方法優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，計(jì)算體系的能量和熱力學(xué)性質(zhì)。分子力學(xué)方法主要用于研究中小分子體系的結(jié)構(gòu)、能量和相互作用。4.系綜是指具有相同宏觀性質(zhì)（如溫度、壓力、粒子數(shù)）但微觀狀態(tài)不同的所有體系的集合。NVT系綜是指粒子數(shù)、體積和溫度恒定的系綜，適用于研究等溫條件下的體系。NPT系綜是指粒子數(shù)、壓力和溫度恒定的系綜，適用于研究等壓條件下的體系。四、計(jì)算題1.計(jì)算思路：根據(jù)題目給出的原子間距離和相互作用勢(shì)能函數(shù)，分別計(jì)算三個(gè)原子對(duì)之間的勢(shì)能，然后將它們相加得到體系的總勢(shì)能。計(jì)算過(guò)程：V(r1)=A/r1^12-B/r1^6=4.0/(1.0)^12-1.0/(1.0)^6=3.0kJ/molV(r2)=A/r2^12-B/r2^6=4.0/(1.5)^12-1.0/(1.5)^6=0.55kJ/molV(r3)=A/r3^12-B/r3^6=4.0/(2.0)^12-1.0/(2.0)^6=0.0625kJ/molV_total=V(r1)+V(r2)+V(r3)=3.6125kJ/mol2.計(jì)算思路：根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)模擬方案需要確定模擬時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)、系綜選擇等參數(shù)。計(jì)算體系的平均勢(shì)能和動(dòng)能需要從模擬軌跡中提取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)計(jì)方案：模擬時(shí)間：100ps時(shí)間步長(zhǎng)：1fs系綜選擇：NVT計(jì)算過(guò)程：從模擬軌跡中提取每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下的體系勢(shì)能和動(dòng)能，計(jì)算它們的平均值，得到體系的平均勢(shì)能和動(dòng)能。五、論述題分子熱力學(xué)模擬在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，可以通過(guò)模擬藥物分子與靶點(diǎn)蛋白的結(jié)合過(guò)程，計(jì)算結(jié)合自由能，從