2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——分子動(dòng)力學(xué)模擬與分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，NVT系綜指的是？A.系統(tǒng)粒子數(shù)、體積和溫度保持恒定B.系統(tǒng)粒子數(shù)、壓強(qiáng)和溫度保持恒定C.系統(tǒng)粒子數(shù)、體積和壓強(qiáng)保持恒定D.系統(tǒng)粒子數(shù)、能量和溫度保持恒定2.下列哪一項(xiàng)不是分子動(dòng)力學(xué)模擬中常用的力場類型？A.Lennard-Jones勢B.Coulomb勢C.EmbeddedAtomMethod(EAM)勢D.QuantumMechanical(QM)勢3.徑向分布函數(shù)(RDF)主要用來描述體系的什么性質(zhì)？A.系統(tǒng)的總能量隨時(shí)間的演變B.系統(tǒng)中粒子間平均距離的分布C.系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間的波動(dòng)D.系統(tǒng)的壓強(qiáng)與體積關(guān)系4.均方位移(MSD)主要用來計(jì)算體系的什么性質(zhì)？A.系統(tǒng)的熵B.系統(tǒng)的擴(kuò)散系數(shù)C.系統(tǒng)的振動(dòng)頻率D.系統(tǒng)的表面張力5.周期性邊界條件(PBC)主要目的是什么？A.減小模擬體系的計(jì)算量B.模擬真實(shí)體系中粒子間的相互作用C.避免粒子在模擬邊界處的反射D.使體系的壓強(qiáng)恒定6.分子動(dòng)力學(xué)模擬中，時(shí)間步長選擇過小會(huì)導(dǎo)致什么問題？A.模擬速度過快B.粒子運(yùn)動(dòng)軌跡不連續(xù)C.系統(tǒng)能量守恒性變好D.力場計(jì)算更加準(zhǔn)確7.在模擬催化劑表面時(shí)，分子動(dòng)力學(xué)主要關(guān)注什么？A.催化劑顆粒的宏觀形態(tài)變化B.催化劑表面原子或分子的排布與相互作用C.催化劑與反應(yīng)物之間的宏觀傳質(zhì)過程D.催化劑在反應(yīng)過程中的熱穩(wěn)定性8.分子動(dòng)力學(xué)模擬可以用來研究礦物浮選過程中的哪個(gè)環(huán)節(jié)？A.礦物顆粒的破碎B.礦物顆粒在水中的沉降速度C.礦物表面與捕收劑之間的吸附行為D.礦漿的宏觀流動(dòng)狀態(tài)9.以下哪個(gè)物理量通常不直接通過分子動(dòng)力學(xué)模擬來計(jì)算？A.系統(tǒng)的勢能面B.粒子的速度分布函數(shù)C.系統(tǒng)的自由能D.粒子的均方位移10.分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的可靠性主要取決于哪些因素？(多選)A.力場的選擇精度B.模擬時(shí)間的長短C.模擬體系的尺寸D.計(jì)算機(jī)硬件的性能二、填空題1.分子動(dòng)力學(xué)模擬基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，通過求解每個(gè)粒子的______和______來推算系統(tǒng)的演化。2.為了模擬更大的體系，通常采用______邊界條件來近似無限大空間。3.分子動(dòng)力學(xué)模擬可以用來計(jì)算體系的內(nèi)能、溫度和______等熱力學(xué)性質(zhì)。4.徑向分布函數(shù)RDF的第一個(gè)峰反映了粒子與其最近鄰粒子的平均距離。5.均方位移MSD隨時(shí)間的變化可以用來計(jì)算粒子的______。6.在選擇力場時(shí)，需要考慮其與模擬體系材料的______和______。7.分子動(dòng)力學(xué)模擬可以用來研究資源化學(xué)中的______、______和______等問題。8.為了獲得可靠的模擬結(jié)果，通常需要進(jìn)行______，以消除初始構(gòu)型對系統(tǒng)的影響。三、簡答題1.簡述分子動(dòng)力學(xué)模擬與蒙特卡洛模擬的主要區(qū)別。2.解釋什么是系綜，并說明NVT、NPT兩種系綜在實(shí)際模擬中的應(yīng)用場景有何不同。3.分子動(dòng)力學(xué)模擬中，勢能函數(shù)起什么作用？選擇合適的勢能函數(shù)需要注意哪些方面？4.簡述分子動(dòng)力學(xué)模擬在材料設(shè)計(jì)中的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例，并說明其優(yōu)勢。四、計(jì)算題假設(shè)你進(jìn)行了一個(gè)水分子體系的NVT分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到了在不同溫度下系統(tǒng)的平均壓力P和體積V的數(shù)據(jù)如下表所示：|溫度T(K)|平均壓力P(kPa)|體積V(nm3)||:---------|:---------------|:-----------||300|3120|29.5||350|4280|31.2||400|5300|32.8||450|6380|34.5|請根據(jù)以上數(shù)據(jù)，嘗試使用維里方程(P=B-A/T-CV/T2)的形式，計(jì)算并估算常數(shù)A、B和C的值。(提示：可以通過作圖或最小二乘法處理數(shù)據(jù))五、論述題結(jié)合資源化學(xué)領(lǐng)域的具體實(shí)例，論述分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)在研究能源材料（如電池材料、催化劑）或資源轉(zhuǎn)化過程（如礦物加工、吸附分離）中的應(yīng)用價(jià)值、面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.A2.D3.B4.B5.C6.B7.B8.C9.A10.ABC二、填空題1.位置，速度2.周期性3.熵4.配位數(shù)5.擴(kuò)散系數(shù)6.保真度，適用范圍7.催化反應(yīng)機(jī)理，材料結(jié)構(gòu)性能，資源轉(zhuǎn)化過程8.?弛豫三、簡答題1.解析思路:區(qū)分MD和MC的核心在于模擬方法。MD基于經(jīng)典力學(xué)求解粒子運(yùn)動(dòng)方程，是確定性方法，能給出精確的軌跡和統(tǒng)計(jì)量，但計(jì)算量大，且依賴于力場。MC是基于概率統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)抽樣方法，通過蒙特卡洛積分計(jì)算各種性質(zhì)，不依賴力場，但結(jié)果有統(tǒng)計(jì)誤差，適用于MD難以處理的系統(tǒng)（如氣相、大體系）。2.解析思路:首先定義系綜：處于給定能量、體積和粒子數(shù)（NVE）、或給定溫度、體積和粒子數(shù)（NVT）、或給定溫度、壓強(qiáng)和粒子數(shù)（NPT）等宏觀條件下所有可能微觀狀態(tài)集合的集合。然后說明NVT通過快速調(diào)整系統(tǒng)體積（或粒子數(shù)）來維持溫度恒定，適用于研究在恒定溫度下體系的熱力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)行為。NPT通過允許系統(tǒng)體積（或壓強(qiáng)）變化來維持壓強(qiáng)恒定，適用于研究在恒定壓強(qiáng)下（更接近真實(shí)環(huán)境）體系的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)，或模擬等溫壓縮/膨脹過程。3.解析思路:勢能函數(shù)是分子動(dòng)力學(xué)模擬的核心，它定義了粒子間的相互作用能，決定了粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡和系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。選擇合適的勢能函數(shù)需要考慮：①材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)類型；②勢能函數(shù)的保真度，即能否準(zhǔn)確反映目標(biāo)體系的物理化學(xué)性質(zhì)；③勢能函數(shù)的適用范圍和計(jì)算效率，過于復(fù)雜的勢能函數(shù)會(huì)增加計(jì)算成本。4.解析思路:選擇一個(gè)具體實(shí)例，如設(shè)計(jì)新型催化劑。MD可以模擬催化劑表面原子排布、吸附位點(diǎn)、反應(yīng)物與催化劑的相互作用、反應(yīng)路徑等，幫助研究人員理解反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)（如孔道尺寸、活性位點(diǎn)密度），預(yù)測催化活性、選擇性和穩(wěn)定性，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成。優(yōu)勢在于能夠提供原子尺度的詳細(xì)信息，揭示微觀機(jī)制，且可以研究在實(shí)驗(yàn)條件下難以實(shí)現(xiàn)或觀察的條件。四、計(jì)算題解析思路:維里方程P=B-A/T-CV/T2是描述系統(tǒng)壓力P與溫度T、體積V關(guān)系的常用方程。根據(jù)題意，需要擬合P=B-A/T-CV/T2。由于有三個(gè)未知數(shù)A、B、C，需要三個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)點(diǎn)。給定四組數(shù)據(jù)，可以有多種擬合方法。一種思路是，選擇其中三組數(shù)據(jù)組成三個(gè)方程組求解。例如，選擇T=300,T=350,T=400的數(shù)據(jù)：*3120=B-A/300-C*29.5/3002*4280=B-A/350-C*31.2/3502*5300=B-A/400-C*32.8/4002這是一個(gè)包含A,B,C的線性方程組，可以通過矩陣運(yùn)算或代數(shù)方法求解。求得A、B、C的近似值后，可以用第四組數(shù)據(jù)（T=450）計(jì)算出的壓力與實(shí)際值比較，評估擬合效果。注意單位換算和計(jì)算精度。五、論述題解析思路:此題要求結(jié)合實(shí)例，全面論述MD在資源化學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值、挑戰(zhàn)和未來。首先，闡述MD作為計(jì)算模擬工具，可以在原子/分子尺度上研究資源化學(xué)中的關(guān)鍵問題，如能源材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測、反應(yīng)機(jī)理探索等。舉例說明，如在電池材料研究中，MD可模擬電極/電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)、離子嵌入/脫出過程、電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，幫助理解電池性能瓶頸（如容量衰減、循環(huán)壽命短）并指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)。在催化劑研究中，MD可模擬反應(yīng)物在催化劑表面的吸附、活化、擴(kuò)散和產(chǎn)物脫附過程，揭示反應(yīng)瓶頸，優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)。在資源轉(zhuǎn)化過程中，MD可模擬礦物顆粒與溶劑/浮選劑的相互作用、吸附等溫線、界面結(jié)構(gòu)等，為礦物