利用C_模拟分子热运动

收稿日期:2001-01-22;修回日期:2001-04-11

作者简介:潘宝娟(1964—

),女,浙江人,讲师,化学专业.利用C ++模拟分子热运动

潘宝娟

(南化公司教育学院,江苏南京　210048)

摘要:由于分子太小,教学中很难利用现有的技术和仪器直接观察到分子热运动。本文介绍利用C ++语言中的随机函数及描点作图等函数来模拟分子的热运动。本程序所模拟的分子热运动能给人直观、深刻的印象。

关键词:分子热运动;模拟C ++语言;随机性和随机函数;数组;循环

中图分类号:O 643111;TP 312

文献标识码:A

文章编号:100124160(2001)0625402542

U se Language C ++to Simulate Molecular

Thermodynamic Movement

PAN Bao 2juan

(Nanjing Chemical Education College ,Nanjing 210048,China )

Abstract :M olecule is s o small ,that it is very difficult to use existing technique and instruments to observe m olecular m ovement.This essay details how to use random function and charting function of Language C ++to simulate m olecular therm odynamic m ove 2ment on pers onal com puter.The m olecular therm odynamic m ovement that simulated by this program can give the people a visual and profound im pression.

K ey w ords :m olecular therm odynamic m ovement ;simulation ;Language C ++;random and random function ;data group ;cycle 1　引言

在自然科学研究中,有很多理论及技术与分子热运动密切相关,分子运动理论是理解和掌握很多理论和技术的基础[124]。用电子显微镜可以观察到胶粒和生物大分子;普通分子比胶粒或生物分子还小得多,即使用电子显微镜也不易直接观察到。80年代初美国科学家宾尼格(Binnig )和罗勒尔(R ohrer )发明了隧道扫描显微镜(ST M ),利用ST M 可以对分子、原子进行直接操纵,从而为纳米科技领域奠定了基础,后来又发明原子力显微镜(AFM )[7],AFM 进一步推动了纳米技术的发展。尽管ST M 和AFM 都非常先进,可以直接对分子和原子进行操纵,但我国目前只有在少数进行纳米技术研究的重点实验室里才有,即使象超显微镜和电子显微镜这样的高档精密仪器,也不可能成为普通教学仪器,以供初学者使用。为使广大初学者对分子热运动有一个直观的认识,我们开发了在微机上运行的分子热运动模拟程序。

2　分子热运动模拟程序的开发

211　分子热运动的特征

(1)分子的数量是巨大的,分子数目不会改变;

(2)分子运动的连续性,由于分子是弹性的,分子的运动不会随时间流逝而减弱或消亡;

(3)分子运动的无规则性,每个分子的运动速度和方向是随机的,故任一时刻每个分子所处的位置是随机的。

分子热运动的模拟程序必须充分体现分子运动这种随机性及连续性。

212　分子热运动模拟程序的设计和开发

教学课件的开发工具主要分为4类:一是基于时间的多媒体创作工具,如Director ,Action 等;二是基第18卷　第6期2001年9月28日计算机与应用化学

C om puters and Applied Chemistry V ol 118,N o 16September ,2001

于图标的多媒体创作工具,如Authorware ,IconAuther 等;三是基于页和卡片的多媒体创作工具,如T ool 2Bo ,HyperCard 等;四是基于传统编程语言的开发工具,如C ++,VC ,VB 等[8]。不同的开发工具有各自的优点,也有各自的局限性,适用于不同的情况。一般说来,基于时间、图标和卡片的多媒体开发工具,对各种多媒体素材的编辑和控制比较直观、方便,开发过程对初学者容易掌握;但开发过程中必须对每一对象作出精确地安排和控制,所以适合于表示少量对象的预定运动,而不适合开发大量分子的无规则热运动的模拟程序。考虑到C ++语言对软、硬件控制能力较强,所编程序简短,运行速度快,且具有数组、随机函数、各种作图函数等多种数据类型及各种程序控制结构,适合于表现大量分子的永不停息的无规则的热运动,故本文采用C ++语言作为编程工具。本程序清单如下:

程序清单:

#include ”stdio.h ”

#include ”stdlib.h ”

#include ”graphics.h ”

#define N 100/3演示的分子数3/

main ()

{

　int i ,j ;

　char yes ;

　int x[N],y[N];　/3存放N 个分子坐标3/

setbkcolor (0);/3设置背景颜色为黑色3/

cleardevice ();/3清屏3/

　for (i =0;i

{x[i ]=(int )(random ()3getmaxx ()/32767.0);

y[i ]=(int )(random ()3getmaxy ()/32767.0);

putpixel (x[i ],y[i ],15);/3指定位置画点3/

}

while (1)/31表示条件永真,持续运动3/

　{

for (i =o ;i

　{x =(int )(rand ()3getmaxx ()/32767.0);

　y =(int )(rand ()3getmaxy ()/32767.0);

　setcolor (8);　/3设置当前划线颜色为灰色3/

line (x[i ],y[i ],x ,y );　/3画直线表示运动轨迹3/

　setcolor (0);

　line (x[i ],y[i ],x ,y );

/3用背景色划线,隐去分子运动轨迹3/

　putpixel (x ,y ,15); /3在新位置显示分子3/

　x[i ]=x ; /3保存分子当前位置坐标3/

　y[i ]=y ;

　} /3end for 3/

printf (”是否结束演示(Y /N )?”

);scan f (”%c ”,&yes );

if toupper (yes )=’Y ’　break ;

　} /3endwhile 3/

　printf (”演示结束,再见!”

);}

3　结果与讨论

311　程序开发过程的几点说明

(1)模拟程序中分子数的确定:任何一个体系内物质所包含的分子数目都是十分巨大的,一般在1023数量级。要用程序来模拟如此大量个体的随机运动既不现实,也不必要;但也不能只用个别分子的运动来代表所有分子的热运动,为了使程序处理方便、模拟效果良好,确定一个合适的分子数目是很重要的。一般在100个分子左右较合适,太多则来不及观察,并且影响处理速度。

1456期潘宝娟等:利用C ++模拟分子热运动

245计算机与应用化学18卷

(2)分子运动的无规则性:由于分子运动的速度和方向是随机的,所以每个分子任一时刻出现的位置是随机的。可以用C++语言的随机函数(即随机发生器)来表现这种随机性。C++语言提供了2个随机函数rand()和random()[9],前者产生任意随机数,后者产生逐渐增大的随机数;本程序在初始化各分子的位置时用random()函数,使分子从上到下、从左到右分散在整个屏幕中;而运动过程中每个分子的位置(即X、Y坐标)则由rand()函数产生,并依次存放在两个数组X[N]和Y[N]的对应元素中。程序中用循环结构来依次显示各个分子在某个时刻的运动情况,其中每个分子的一次运动用如下方法表示:先用随机函数求出下一时刻的新位置(X、Y),从(X[n],Y[n])到(X,Y)划线表示分子运动轨迹,随即用背景色在同一位置划线来隐去运动轨迹,然后在新位置(X、Y)处画点显示分子[10],最后将分子所在位置的坐标(X、Y)保存到数组元素X[n]、Y[n]中,为分子的下一次运动作准备。虽然每个分子均需进行坐标的计算、运动轨迹的绘制和隐去及描点显示等操作,对N个分子处理一遍需要一定的时间,但现代电子计算机的运行速度极快,处理过程的延时正好适合人眼的观察。本程序为了使分子的运动比较醒目,背景色采用黑色,分子采用亮白色的象素点,运动轨迹采用灰色。

(3)分子运动的持续性:分子的运动不会随时间的流逝而减弱或停止,本程序用一个条件永真的大循环表示这种永不停息的运动[11212]。模拟程序一旦运行,分子的运动就不停地进行,由使用者决定何时结束演示。

(4)分子运动空间的确定:分子运动具有一定的空间限制,本程序用整个屏幕表示分子运动的空间,用随机函数产生的坐标值不能超出屏幕。Rand()产生0232767之间的一个随机整数,而屏幕的最大X、Y坐标可由getmaxx()和getmaxy()2个函数返回[11212]。为了使每个分子的位置在屏幕内,每个分子的坐标计算如下:

X=(int)(rand()/32767.03getmaxx())Y=(int)(rand()/32767.03getmaxy())

其中(int)———强制类型转换[13],即取计算结果的整数部分作为坐标值。

312　结论

本程序充分利用C++语言所提供的丰富的计算、画图、颜色设置等函数功能,使所编制的程序短小精悍。本程序演示的分子热运动给人以直观、深刻的印象,便于学生理解和掌握分子热运动的规律,从而为学生以后学习与分子运动有关的其它知识打下了基础。

参考文献

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