TRIZ創新理論在光電效應實驗儀改進中的應用

張開驍　張佳妮　應海華　雷撼　張凱

摘 要：論文針對現有光電效應實驗教學儀器中存在的逸出功不可測、普朗克常數測量不準這一經典難題，通過TRIZ創新理論，綜合運用創新思維方法與問題分析方法、技術矛盾解決原理、創新問題標準解法等創新方法，得到了多個問題解決方案思路，然后結合技術難度、造價成本等方面的因素，擇優得到采用多個不同波長的單色LED光源代替傳統的高壓汞燈系統這一最佳方案，成功實現了光電效應實驗教學儀器的改進。新儀器具有安全、無污染、功耗小、穩定性好、結構小巧、物理過程清晰、可以同時測量普朗克常數和逸出功等諸多優點。

關鍵詞：TRIZ理論 光電效應 創新原理 改進

中圖分類號：O482.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0126-02

TRIZ理論是由根奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller 1926—1998年）通過對4萬份（后來擴展到250萬份）高水平發明專利的研究、分析、歸納總結，揭示出隱藏在專利之中的奧秘，萃取數以百萬計發明家的智慧而創建的卓越成果[1-3]。TRIZ理論是一種創新方法，它使創新思維從發散走向收斂；它利用創新的規律，使創新走出了盲目的、高成本的試錯和靈光一現式的偶然。創新從最通俗的意義上講就是創造性地發現問題和創造性地解決問題的過程，TRIZ理論的強大作用正在于它為人們創造性地發現問題和解決問題提供了系統的理論和方法工具?，F代TRIZ理論體系主要包括創新思維方法與問題分析方法、技術系統進化法則、技術矛盾解決原理、創新問題標準解法、發明問題解決算法、基于物理與化學等工程學原理而構建的知識庫等六大方面，其中應用廣泛的是其前面四個方面，創新思維方法與問題分析方法理論中提供了如何系統分析問題的科學方法，如多屏幕法、STC法、金魚法、小人法等；而對于復雜問題的分析，則包含了科學的問題分析建模方法——“物—場”分析法，它可以幫助快速確認核心問題，發現根本矛盾所在。技術系統進化法則給出了產品發展的演化規律，可預測未來發展趨勢，開發富有競爭力的新產品；技術矛盾解決原理給出了不同的發明創造往往遵循的40個創新原理，針對具體的技術矛盾，可以基于這些創新原理、結合工程實際尋求具體的解決方案；創新問題標準解法給出了問題解決的流程。目前，TRIZ理論在產品開發、技術難題解決等工程中的成功應用已經逐漸引起人們的關注，但鮮有用在教學儀器的升級換代中。光電效應實驗是大學必備的經典實驗之一，但目前通用的光電效應教學實驗儀普遍存在的逸出功不可測、普朗克常數測量不準這一難題，文中通過運用TRIZ理論及其創新方法提出了多個問題解決方案，并最終成功實現了光電效應實驗教學儀器的改進。

1 光電效應實驗

從式（3）可以看出，理論上，只要用實驗方法得出不同的頻率對應的截止電壓，求出直線斜率及截距，就可以算出普朗克常數與金屬的逸出功，即利用光電效應可以簡單而又準確地求出普朗克常數和逸出功。愛因斯坦的光量子理論成功的解釋了光電效應規律，光電效應的基本實驗事實如下：當入射光頻率低于某極限值頻率時，不論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電流產生；當入射光頻率大于等于某極限值時，光電流的大小與入射光的強度成正比，對于不同頻率的光，其截止電壓不同，截止電壓與頻率成正比關系；光電效應是瞬時效應，即使入射光的強度即使非常微弱，但只要頻率大于極限值頻率時，在開始照射后立即有光電子產生，所經過的時間至多為10-9秒的數量級。普朗克常數和逸出功的引入與測量有著十分重要的意義，對物理學的發展起著不可估量的作用，普朗克常數可以加深對能量量子化尤其光能量量子化的理解，加深對光具有波、粒二相性的理解，尤其是光的粒子性的理解；逸出功對理解光電效應及對設計肖特基二極管或發光二極管中金屬-半導體結以及真空管非常重要。在光電效應實驗中，光顯示出了它的量子性質，所以這種現象對于認識光的本質，具有極其重要的意義，用光電效應儀測普朗克常量是各大學普遍開設的實驗內容，每年有幾十萬大學生通過該實驗了解和檢驗光的量子特性。但是目前通用的光電效應實驗儀只能測量普朗克常數而不能測量金屬逸出功，這給大家理解光電效應現象帶來了一定的困難，而且普朗克常數測量誤差通常都比較大，一般在3%～10%左右。

2 TRIZ理論的應用

目前每個學校普遍開設的光電效應實驗儀，其原理是通過高壓汞燈經過濾波片濾波從而獲得5個不同波長的單色光，通過測量不同波長下對應光電管的截止電壓來測量普朗克常數，一直以來，此儀器均存在實驗測量結果誤差較大（大于3%）的缺陷。下面我們運用TRIZ理論及方法具體研究光電效應實驗儀改進問題。傳統的光電效應實驗儀采用高壓汞燈加載濾波片實現單色光，由于儀器測量精度不高，只能測量普朗克常量這一個物理量，通過單色儀可以實現高質量的單色光，提高儀器測量精度，但是單色儀動輒數十萬元乃至數百萬元，只適用于專業科研儀器，不適用于面大量多的教學儀器市場需求。這樣我們就得到“需提高測量精度，但這樣會提高系統的復雜性、增加儀器制造成本、降低其通用性與適應性”這一具體問題描述，這是一個技術矛盾問題。根據問題描述，對應39個工程參數，可以確定需要改善的參數是測量精度（28），而對應的惡化的參數為可制造性（32）、通用性和適應性（35）、復雜性（36）。確定技術參數后，通過查找矛盾矩陣，可以得到對應的40個物理創新原理分別為廉價替代品原理（27）、物理或化學參數改變原理（35）、預先反作用原理（10）、拋棄或再生原理（34）、多用性原理（06）、自服務原理（25）、機械振動原理（18）、反向作用原理（13）、抽取原理（02）。根據上述原理的指引，我們逐一分析，運用廉價替代品原理（27）我們想到用新型LED光源代替傳統的汞燈；運用物理或化學參數改變原理（35）我們想到改變LED的波長；運用預先反作用原理（10）我們想到通過濾光片提前濾光；運用拋棄或再生原理（34）我們想到可以將濾波片去掉，直接用單色LED作為光源；運用多用性原理（06）我們想到可以將1個光源對應多個光電管，也可以是1個光電管對應多個光源；運用自服務原理（25）我們想到光電測量時投射出部分光作為指示光源顏色用；運用機械振動原理（18）我們想到通過轉動濾波片實現光源波長切換；運用反向作用原理（13）我們想到通過多個單色LED實現連續波長光譜；運用抽取原理（02）我們想到將光源分離出來。綜合上述種種可能方案，得到5個問題解決方案，分別是單色LED替代、一臺單色儀供多套實驗儀共用、改變入射光強度或波長、激光、譜線抽取，綜合考慮上述5個方案，然后結合技術難度、造價成本等方面的因素，得到最終的優化方案：可以采用多個不同波長的單色LED光源代替單色儀或高壓汞燈系統。

3 結語

用光電效應法測普朗克常量是各大學普遍開設的實驗內容，每年有幾十萬大學生通過該實驗了解和檢驗光的量子特性。但是目前通過外光電法測普朗克常數的實驗誤差通常都比較大，本文利用TRIZ理論方法分析研究了傳統高壓汞燈加濾色片作為光源的實驗系統，發現實驗所用光源的單色性很不好，同時濾色片的截止波長和汞燈尖銳譜線之間存在不匹配問題，使得經過濾色片的汞燈光源發射的實際光源為單色性較差的復合光，這樣通過實驗數據確定的截止電壓實際上并不是實驗所用濾色片標明的入射光波長所對應的截止電壓，從而給實驗結果帶來誤差?；赥RIZ理論方法的指導，我們改進了光電效應實驗系統，在運用TRIZ理論改進光電效應實驗儀過程中，我們得到了一個最終優化方案，按照本方案設計的實驗裝置[4-5]，具有安全、無污染、功耗小、穩定性好、結構小巧、物理過程清晰等諸多優點，與傳統的測量普朗克常數的方法和裝置相比，不但避免了汞泄露對人體的傷害，光源的功耗由幾十瓦降低到幾瓦，可以節約90%以上的電能，同時還可以省去濾色片，節約儀器成本，本裝置最突出的優點是基于愛因斯坦光電效應方程可以同時測量普朗克常數和光電管陰極材料的逸出功，整個裝置的物理原理清晰，便于學生理解光電效應現象， 這是傳統測量系統不可能做到的。

參考文獻

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