TRIZ创新理论在光电效应实验仪改进中的应用

张开骁　张佳妮　应海华　雷撼　张凯

摘 要：论文针对现有光电效应实验教学仪器中存在的逸出功不可测、普朗克常数测量不准这一经典难题，通过TRIZ创新理论，综合运用创新思维方法与问题分析方法、技术矛盾解决原理、创新问题标准解法等创新方法，得到了多个问题解决方案思路，然后结合技术难度、造价成本等方面的因素，择优得到采用多个不同波长的单色LED光源代替传统的高压汞灯系统这一最佳方案，成功实现了光电效应实验教学仪器的改进。新仪器具有安全、无污染、功耗小、稳定性好、结构小巧、物理过程清晰、可以同时测量普朗克常数和逸出功等诸多优点。

关键词：TRIZ理论 光电效应 创新原理 改进

中图分类号：O482.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0126-02

TRIZ理论是由根奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller 1926—1998年）通过对4万份（后来扩展到250万份）高水平发明专利的研究、分析、归纳总结，揭示出隐藏在专利之中的奥秘，萃取数以百万计发明家的智慧而创建的卓越成果[1-3]。TRIZ理论是一种创新方法，它使创新思维从发散走向收敛；它利用创新的规律，使创新走出了盲目的、高成本的试错和灵光一现式的偶然。创新从最通俗的意义上讲就是创造性地发现问题和创造性地解决问题的过程，TRIZ理论的强大作用正在于它为人们创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论和方法工具。现代TRIZ理论体系主要包括创新思维方法与问题分析方法、技术系统进化法则、技术矛盾解决原理、创新问题标准解法、发明问题解决算法、基于物理与化学等工程学原理而构建的知识库等六大方面，其中应用广泛的是其前面四个方面，创新思维方法与问题分析方法理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法、STC法、金鱼法、小人法等；而对于复杂问题的分析，则包含了科学的问题分析建模方法——“物—场”分析法，它可以帮助快速确认核心问题，发现根本矛盾所在。技术系统进化法则给出了产品发展的演化规律，可预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品；技术矛盾解决原理给出了不同的发明创造往往遵循的40个创新原理，针对具体的技术矛盾，可以基于这些创新原理、结合工程实际寻求具体的解决方案；创新问题标准解法给出了问题解决的流程。目前，TRIZ理论在产品开发、技术难题解决等工程中的成功应用已经逐渐引起人们的关注，但鲜有用在教学仪器的升级换代中。光电效应实验是大学必备的经典实验之一，但目前通用的光电效应教学实验仪普遍存在的逸出功不可测、普朗克常数测量不准这一难题，文中通过运用TRIZ理论及其创新方法提出了多个问题解决方案，并最终成功实现了光电效应实验教学仪器的改进。

1 光电效应实验

从式（3）可以看出，理论上，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率及截距，就可以算出普朗克常数与金属的逸出功，即利用光电效应可以简单而又准确地求出普朗克常数和逸出功。爱因斯坦的光量子理论成功的解释了光电效应规律，光电效应的基本实验事实如下：当入射光频率低于某极限值频率时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生；当入射光频率大于等于某极限值时，光电流的大小与入射光的强度成正比，对于不同频率的光，其截止电压不同，截止电压与频率成正比关系；光电效应是瞬时效应，即使入射光的强度即使非常微弱，但只要频率大于极限值频率时，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10-9秒的数量级。普朗克常数和逸出功的引入与测量有着十分重要的意义，对物理学的发展起着不可估量的作用，普朗克常数可以加深对能量量子化尤其光能量量子化的理解，加深对光具有波、粒二相性的理解，尤其是光的粒子性的理解；逸出功对理解光电效应及对设计肖特基二极管或发光二极管中金属-半导体结以及真空管非常重要。在光电效应实验中，光显示出了它的量子性质，所以这种现象对于认识光的本质，具有极其重要的意义，用光电效应仪测普朗克常量是各大学普遍开设的实验内容，每年有几十万大学生通过该实验了解和检验光的量子特性。但是目前通用的光电效应实验仪只能测量普朗克常数而不能测量金属逸出功，这给大家理解光电效应现象带来了一定的困难，而且普朗克常数测量误差通常都比较大，一般在3%～10%左右。

2 TRIZ理论的应用

目前每个学校普遍开设的光电效应实验仪，其原理是通过高压汞灯经过滤波片滤波从而获得5个不同波长的单色光，通过测量不同波长下对应光电管的截止电压来测量普朗克常数，一直以来，此仪器均存在实验测量结果误差较大（大于3%）的缺陷。下面我们运用TRIZ理论及方法具体研究光电效应实验仪改进问题。传统的光电效应实验仪采用高压汞灯加载滤波片实现单色光，由于仪器测量精度不高，只能测量普朗克常量这一个物理量，通过单色仪可以实现高质量的单色光，提高仪器测量精度，但是单色仪动辄数十万元乃至数百万元，只适用于专业科研仪器，不適用于面大量多的教学仪器市场需求。这样我们就得到“需提高测量精度，但这样会提高系统的复杂性、增加仪器制造成本、降低其通用性与适应性”这一具体问题描述，这是一个技术矛盾问题。根据问题描述，对应39个工程参数，可以确定需要改善的参数是测量精度（28），而对应的恶化的参数为可制造性（32）、通用性和适应性（35）、复杂性（36）。确定技术参数后，通过查找矛盾矩阵，可以得到对应的40个物理创新原理分别为廉价替代品原理（27）、物理或化学参数改变原理（35）、预先反作用原理（10）、抛弃或再生原理（34）、多用性原理（06）、自服务原理（25）、机械振动原理（18）、反向作用原理（13）、抽取原理（02）。根据上述原理的指引，我们逐一分析，运用廉价替代品原理（27）我们想到用新型LED光源代替传统的汞灯；运用物理或化学参数改变原理（35）我们想到改变LED的波长；运用预先反作用原理（10）我们想到通过滤光片提前滤光；运用抛弃或再生原理（34）我们想到可以将滤波片去掉，直接用单色LED作为光源；运用多用性原理（06）我们想到可以将1个光源对应多个光电管，也可以是1个光电管对应多个光源；运用自服务原理（25）我们想到光电测量时投射出部分光作为指示光源颜色用；运用机械振动原理（18）我们想到通过转动滤波片实现光源波长切换；运用反向作用原理（13）我们想到通过多个单色LED实现连续波长光谱；运用抽取原理（02）我们想到将光源分离出来。综合上述种种可能方案，得到5个问题解决方案，分别是单色LED替代、一台单色仪供多套实验仪共用、改变入射光强度或波长、激光、谱线抽取，综合考虑上述5个方案，然后结合技术难度、造价成本等方面的因素，得到最终的优化方案：可以采用多个不同波长的单色LED光源代替单色仪或高压汞灯系统。

3 结语

用光电效应法测普朗克常量是各大学普遍开设的实验内容，每年有几十万大学生通过该实验了解和检验光的量子特性。但是目前通过外光电法测普朗克常数的实验误差通常都比较大，本文利用TRIZ理论方法分析研究了传统高压汞灯加滤色片作为光源的实验系统，发现实验所用光源的单色性很不好，同时滤色片的截止波长和汞灯尖锐谱线之间存在不匹配问题，使得经过滤色片的汞灯光源发射的实际光源为单色性较差的复合光，这样通过实验数据确定的截止电压实际上并不是实验所用滤色片标明的入射光波长所对应的截止电压，从而给实验结果带来误差。基于TRIZ理论方法的指导，我们改进了光电效应实验系统，在运用TRIZ理论改进光电效应实验仪过程中，我们得到了一个最终优化方案，按照本方案设计的实验装置[4-5]，具有安全、无污染、功耗小、稳定性好、结构小巧、物理过程清晰等诸多优点，与传统的测量普朗克常数的方法和装置相比，不但避免了汞泄露对人体的伤害，光源的功耗由几十瓦降低到几瓦，可以节约90%以上的电能，同时还可以省去滤色片，节约仪器成本，本装置最突出的优点是基于爱因斯坦光电效应方程可以同时测量普朗克常数和光电管阴极材料的逸出功，整个装置的物理原理清晰，便于学生理解光电效应现象， 这是传统测量系统不可能做到的。

参考文献

[1] 周胜生，张仁杰，王大鹏，等.TRIZ理论在专利创造性判断中的应用研究[J].电子知识产权，2012（1）：68-72.

[2] 张士峰.教学仪器的进化法则[J].中国现代教育装备，2013（20）：35-37，41.

[3] 李治淼，崔春，刘巨保，等.基于TRIZ理论的钻柱振动失效预警装置创新设计[J].科学技术与工程，2011（2）：328-331.

[4] 张开骁，孔维钰，朱卫华，等.外光电法测量普朗克常量的误差分析与修正[J].物理实验，2013（1）：40-42.

[5] 张开骁，宋建平，刘明熠，等.一种能够同时测量普朗克常数和逸出功的装置及测量方法[Z].CN102589847A：2012.