2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子動(dòng)力學(xué)模擬在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用考試時(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)的字母填入括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于分子動(dòng)力學(xué)模擬中常用的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)？（）A.Lennard-Jones勢(shì)B.Morse勢(shì)C.ReaxFF勢(shì)D.Coulomb勢(shì)2.Verlet算法和Leapfrog算法都屬于哪種時(shí)間積分方法？（）A.確定性算法B.隨機(jī)算法C.數(shù)值積分算法D.隱式算法3.NVT系綜適用于哪種條件？（）A.恒定體積、恒定粒子數(shù)、恒定溫度B.恒定體積、恒定粒子數(shù)、恒定壓力C.恒定粒子數(shù)、恒定溫度、恒定壓力D.恒定體積、恒定溫度、恒定壓力4.下列哪一項(xiàng)不是常用的非平衡模擬方法？（）A.熱浴法B.Nose-Hoover系綜C.分子動(dòng)力學(xué)模擬D.Andersen法5.自由能微擾法（FEP）主要用于計(jì)算哪種性質(zhì)？（）A.平衡性質(zhì)B.輸運(yùn)性質(zhì)C.自由能D.力6.下列哪一項(xiàng)不是常用的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件？（）A.GROMACSB.LAMMPSC.VASPD.AMBER7.分子對(duì)接主要用于研究什么？（）A.體系的熱力學(xué)性質(zhì)B.分子間的相互作用和結(jié)合模式C.體系的輸運(yùn)性質(zhì)D.體系的相變過程8.分子動(dòng)力學(xué)模擬可以用于預(yù)測(cè)哪種材料性質(zhì)？（）A.熱力學(xué)性質(zhì)B.力學(xué)性質(zhì)C.輸運(yùn)性質(zhì)D.以上所有9.下列哪一項(xiàng)不是分子動(dòng)力學(xué)模擬在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用領(lǐng)域？（）A.晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)B.催化劑設(shè)計(jì)C.藥物設(shè)計(jì)D.天氣預(yù)報(bào)10.下列哪一項(xiàng)不是分子動(dòng)力學(xué)模擬的局限性？（）A.計(jì)算量較大B.只能模擬原子尺度C.不能模擬所有材料D.可以精確預(yù)測(cè)所有性質(zhì)二、填空題（每空1分，共10分。請(qǐng)將答案填入橫線上）1.分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本思想是______。2.分子力學(xué)中，體系的總能量可以表示為______、______和______之和。3.Nosé-Hoover系綜是一種______方法，可以用來模擬恒定壓力下的體系。4.自由能微擾法（FEP）的基本思想是______。5.GROMACS是______公司開發(fā)的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件。6.分子對(duì)接中，常用的scoringfunction有______和______。7.分子動(dòng)力學(xué)模擬可以用來研究材料的______、______和______等性質(zhì)。8.分子動(dòng)力學(xué)模擬在催化劑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在______和______方面。9.分子動(dòng)力學(xué)模擬的精度主要取決于______和______。10.分子動(dòng)力學(xué)模擬的未來發(fā)展方向包括______、______和______。三、簡答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡要回答下列問題）1.簡述Verlet算法的原理。2.簡述NPT系綜的定義和特點(diǎn)。3.簡述自由能微擾法（FEP）的基本原理。4.簡述分子動(dòng)力學(xué)模擬在材料設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。四、計(jì)算題（10分。請(qǐng)完成下列計(jì)算）假設(shè)一個(gè)由N個(gè)水分子組成的體系，在NVT系綜下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，模擬時(shí)間為1納秒。體系溫度為300K，盒子大小為5x5x5納米。請(qǐng)計(jì)算體系在模擬過程中的平均勢(shì)能和平均動(dòng)能。（水分子的質(zhì)量為18u，1u=1.66053906660×10^-27kg，玻爾茲曼常數(shù)為1.380649×10^-23J/K，kBT=0.02569eV）五、論述題（40分。請(qǐng)就下列問題進(jìn)行論述）結(jié)合具體實(shí)例，論述分子動(dòng)力學(xué)模擬在新型功能材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.A4.C5.C6.C7.B8.D9.D10.D二、填空題1.通過求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程，模擬原子或分子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲得體系的宏觀性質(zhì)。2.勢(shì)能，動(dòng)能，約束能3.隱式4.通過引入一個(gè)虛擬的耦合參數(shù)，將一個(gè)熱力學(xué)量從一個(gè)狀態(tài)改變到另一個(gè)狀態(tài)，從而計(jì)算自由能的變化。5.GROMACS6.GAFF，MMFF947.結(jié)構(gòu)，性能，制備過程8.活性位點(diǎn)設(shè)計(jì)，反應(yīng)路徑設(shè)計(jì)9.模擬尺度，模擬時(shí)間10.更高精度，更大尺度，多尺度模擬三、簡答題1.Verlet算法是一種數(shù)值積分算法，通過利用原子在當(dāng)前時(shí)刻和上一個(gè)時(shí)刻的位置，以及原子在當(dāng)前時(shí)刻的力，來計(jì)算原子在下一個(gè)時(shí)刻的位置。其基本思想是：原子在下一時(shí)刻的位置等于當(dāng)前時(shí)刻位置和上一時(shí)刻位置的平均值加上當(dāng)前時(shí)刻加速度對(duì)時(shí)間平方的一半。2.NPT系綜是恒定粒子數(shù)（N）、恒定體積（V）和恒定壓力（P）的系綜。它通過耦合一個(gè)外部壓力baths來控制體系的壓力，使得體系的壓力保持恒定。NPT系綜適用于研究體系的體積和壓力隨溫度的變化。3.自由能微擾法（FEP）是一種計(jì)算兩個(gè)相似體系之間自由能差的方法。其基本原理是：通過引入一個(gè)虛擬的耦合參數(shù)，將一個(gè)體系從一個(gè)狀態(tài)改變到另一個(gè)狀態(tài)，并在每個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，從而計(jì)算自由能的變化。4.分子動(dòng)力學(xué)模擬在材料設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)包括：可以模擬材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備過程等，無需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，節(jié)省時(shí)間和成本，可以研究材料的微觀機(jī)制，為材料設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。四、計(jì)算題平均勢(shì)能約為-0.543eV，平均動(dòng)能約為0.543eV。解析思路：1.計(jì)算體系的總能量表達(dá)式：E=E_potential+E_kinetic2.在NVT系綜下，體系的平均勢(shì)能和平均動(dòng)能可以通過模擬過程中的能量數(shù)據(jù)來計(jì)算。3.由于體系溫度為300K，根據(jù)能量均分定理，每個(gè)自由度的平均能量為kBT/2。對(duì)于水分子體系，每個(gè)水分子有3N個(gè)平動(dòng)自由度和3N個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以及N個(gè)振動(dòng)自由度。4.計(jì)算體系的總自由度數(shù)：f=3N5.計(jì)算體系的總平均動(dòng)能：E_kinetic=(f/2)*k