張開(kāi)驍　張佳妮　應(yīng)海華　雷撼　張凱

摘 要：論文針對(duì)現(xiàn)有光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器中存在的逸出功不可測(cè)、普朗克常數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)這一經(jīng)典難題，通過(guò)TRIZ創(chuàng)新理論，綜合運(yùn)用創(chuàng)新思維方法與問(wèn)題分析方法、技術(shù)矛盾解決原理、創(chuàng)新問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解法等創(chuàng)新方法，得到了多個(gè)問(wèn)題解決方案思路，然后結(jié)合技術(shù)難度、造價(jià)成本等方面的因素，擇優(yōu)得到采用多個(gè)不同波長(zhǎng)的單色LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高壓汞燈系統(tǒng)這一最佳方案，成功實(shí)現(xiàn)了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的改進(jìn)。新儀器具有安全、無(wú)污染、功耗小、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)小巧、物理過(guò)程清晰、可以同時(shí)測(cè)量普朗克常數(shù)和逸出功等諸多優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論 光電效應(yīng) 創(chuàng)新原理 改進(jìn)

中圖分類號(hào)：O482.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guò)對(duì)4萬(wàn)份（后來(lái)擴(kuò)展到250萬(wàn)份）高水平發(fā)明專利的研究、分析、歸納總結(jié)，揭示出隱藏在專利之中的奧秘，萃取數(shù)以百萬(wàn)計(jì)發(fā)明家的智慧而創(chuàng)建的卓越成果[1-3]。TRIZ理論是一種創(chuàng)新方法，它使創(chuàng)新思維從發(fā)散走向收斂；它利用創(chuàng)新的規(guī)律，使創(chuàng)新走出了盲目的、高成本的試錯(cuò)和靈光一現(xiàn)式的偶然。創(chuàng)新從最通俗的意義上講就是創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和創(chuàng)造性地解決問(wèn)題的過(guò)程，TRIZ理論的強(qiáng)大作用正在于它為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具。現(xiàn)代TRIZ理論體系主要包括創(chuàng)新思維方法與問(wèn)題分析方法、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、技術(shù)矛盾解決原理、創(chuàng)新問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問(wèn)題解決算法、基于物理與化學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)等六大方面，其中應(yīng)用廣泛的是其前面四個(gè)方面，創(chuàng)新思維方法與問(wèn)題分析方法理論中提供了如何系統(tǒng)分析問(wèn)題的科學(xué)方法，如多屏幕法、STC法、金魚法、小人法等；而對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題的分析，則包含了科學(xué)的問(wèn)題分析建模方法——“物—場(chǎng)”分析法，它可以幫助快速確認(rèn)核心問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)根本矛盾所在。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則給出了產(chǎn)品發(fā)展的演化規(guī)律，可預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)富有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品；技術(shù)矛盾解決原理給出了不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循的40個(gè)創(chuàng)新原理，針對(duì)具體的技術(shù)矛盾，可以基于這些創(chuàng)新原理、結(jié)合工程實(shí)際尋求具體的解決方案；創(chuàng)新問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解法給出了問(wèn)題解決的流程。目前，TRIZ理論在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、技術(shù)難題解決等工程中的成功應(yīng)用已經(jīng)逐漸引起人們的關(guān)注，但鮮有用在教學(xué)儀器的升級(jí)換代中。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)必備的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，但目前通用的光電效應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀普遍存在的逸出功不可測(cè)、普朗克常數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)這一難題，文中通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論及其創(chuàng)新方法提出了多個(gè)問(wèn)題解決方案，并最終成功實(shí)現(xiàn)了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的改進(jìn)。

1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

從式（3）可以看出，理論上，只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率及截距，就可以算出普朗克常數(shù)與金屬的逸出功，即利用光電效應(yīng)可以簡(jiǎn)單而又準(zhǔn)確地求出普朗克常數(shù)和逸出功。愛(ài)因斯坦的光量子理論成功的解釋了光電效應(yīng)規(guī)律，光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)如下：當(dāng)入射光頻率低于某極限值頻率時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒(méi)有光電流產(chǎn)生；當(dāng)入射光頻率大于等于某極限值時(shí)，光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比，對(duì)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(guān)系；光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)，即使入射光的強(qiáng)度即使非常微弱，但只要頻率大于極限值頻率時(shí)，在開(kāi)始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間至多為10-9秒的數(shù)量級(jí)。普朗克常數(shù)和逸出功的引入與測(cè)量有著十分重要的意義，對(duì)物理學(xué)的發(fā)展起著不可估量的作用，普朗克常數(shù)可以加深對(duì)能量量子化尤其光能量量子化的理解，加深對(duì)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(duì)理解光電效應(yīng)及對(duì)設(shè)計(jì)肖特基二極管或發(fā)光二極管中金屬-半導(dǎo)體結(jié)以及真空管非常重要。在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，光顯示出了它的量子性質(zhì)，所以這種現(xiàn)象對(duì)于認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)，具有極其重要的意義，用光電效應(yīng)儀測(cè)普朗克常量是各大學(xué)普遍開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，每年有幾十萬(wàn)大學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)了解和檢驗(yàn)光的量子特性。但是目前通用的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀只能測(cè)量普朗克常數(shù)而不能測(cè)量金屬逸出功，這給大家理解光電效應(yīng)現(xiàn)象帶來(lái)了一定的困難，而且普朗克常數(shù)測(cè)量誤差通常都比較大，一般在3%～10%左右。

2 TRIZ理論的應(yīng)用

目前每個(gè)學(xué)校普遍開(kāi)設(shè)的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，其原理是通過(guò)高壓汞燈經(jīng)過(guò)濾波片濾波從而獲得5個(gè)不同波長(zhǎng)的單色光，通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)光電管的截止電壓來(lái)測(cè)量普朗克常數(shù)，一直以來(lái)，此儀器均存在實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果誤差較大（大于3%）的缺陷。下面我們運(yùn)用TRIZ理論及方法具體研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀改進(jìn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀采用高壓汞燈加載濾波片實(shí)現(xiàn)單色光，由于儀器測(cè)量精度不高，只能測(cè)量普朗克常量這一個(gè)物理量，通過(guò)單色儀可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的單色光，提高儀器測(cè)量精度，但是單色儀動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)元乃至數(shù)百萬(wàn)元，只適用于專業(yè)科研儀器，不適用于面大量多的教學(xué)儀器市場(chǎng)需求。這樣我們就得到“需提高測(cè)量精度，但這樣會(huì)提高系統(tǒng)的復(fù)雜性、增加儀器制造成本、降低其通用性與適應(yīng)性”這一具體問(wèn)題描述，這是一個(gè)技術(shù)矛盾問(wèn)題。根據(jù)問(wèn)題描述，對(duì)應(yīng)39個(gè)工程參數(shù)，可以確定需要改善的參數(shù)是測(cè)量精度（28），而對(duì)應(yīng)的惡化的參數(shù)為可制造性（32）、通用性和適應(yīng)性（35）、復(fù)雜性（36）。確定技術(shù)參數(shù)后，通過(guò)查找矛盾矩陣，可以得到對(duì)應(yīng)的40個(gè)物理創(chuàng)新原理分別為廉價(jià)替代品原理（27）、物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚?5）、預(yù)先反作用原理（10）、拋棄或再生原理（34）、多用性原理（06）、自服務(wù)原理（25）、機(jī)械振動(dòng)原理（18）、反向作用原理（13）、抽取原理（02）。根據(jù)上述原理的指引，我們逐一分析，運(yùn)用廉價(jià)替代品原理（27）我們想到用新型LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汞燈；運(yùn)用物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚?5）我們想到改變LED的波長(zhǎng)；運(yùn)用預(yù)先反作用原理（10）我們想到通過(guò)濾光片提前濾光；運(yùn)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(yùn)用多用性原理（06）我們想到可以將1個(gè)光源對(duì)應(yīng)多個(gè)光電管，也可以是1個(gè)光電管對(duì)應(yīng)多個(gè)光源；運(yùn)用自服務(wù)原理（25）我們想到光電測(cè)量時(shí)投射出部分光作為指示光源顏色用；運(yùn)用機(jī)械振動(dòng)原理（18）我們想到通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)濾波片實(shí)現(xiàn)光源波長(zhǎng)切換；運(yùn)用反向作用原理（13）我們想到通過(guò)多個(gè)單色LED實(shí)現(xiàn)連續(xù)波長(zhǎng)光譜；運(yùn)用抽取原理（02）我們想到將光源分離出來(lái)。綜合上述種種可能方案，得到5個(gè)問(wèn)題解決方案，分別是單色LED替代、一臺(tái)單色儀供多套實(shí)驗(yàn)儀共用、改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度或波長(zhǎng)、激光、譜線抽取，綜合考慮上述5個(gè)方案，然后結(jié)合技術(shù)難度、造價(jià)成本等方面的因素，得到最終的優(yōu)化方案：可以采用多個(gè)不同波長(zhǎng)的單色LED光源代替單色儀或高壓汞燈系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

用光電效應(yīng)法測(cè)普朗克常量是各大學(xué)普遍開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，每年有幾十萬(wàn)大學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)了解和檢驗(yàn)光的量子特性。但是目前通過(guò)外光電法測(cè)普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)誤差通常都比較大，本文利用TRIZ理論方法分析研究了傳統(tǒng)高壓汞燈加濾色片作為光源的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所用光源的單色性很不好，同時(shí)濾色片的截止波長(zhǎng)和汞燈尖銳譜線之間存在不匹配問(wèn)題，使得經(jīng)過(guò)濾色片的汞燈光源發(fā)射的實(shí)際光源為單色性較差的復(fù)合光，這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的截止電壓實(shí)際上并不是實(shí)驗(yàn)所用濾色片標(biāo)明的入射光波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的截止電壓，從而給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)誤差?；赥RIZ理論方法的指導(dǎo)，我們改進(jìn)了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在運(yùn)用TRIZ理論改進(jìn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀過(guò)程中，我們得到了一個(gè)最終優(yōu)化方案，按照本方案設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置[4-5]，具有安全、無(wú)污染、功耗小、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)小巧、物理過(guò)程清晰等諸多優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的測(cè)量普朗克常數(shù)的方法和裝置相比，不但避免了汞泄露對(duì)人體的傷害，光源的功耗由幾十瓦降低到幾瓦，可以節(jié)約90%以上的電能，同時(shí)還可以省去濾色片，節(jié)約儀器成本，本裝置最突出的優(yōu)點(diǎn)是基于愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可以同時(shí)測(cè)量普朗克常數(shù)和光電管陰極材料的逸出功，整個(gè)裝置的物理原理清晰，便于學(xué)生理解光電效應(yīng)現(xiàn)象， 這是傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)不可能做到的。

參考文獻(xiàn)

[1] 周勝生，張仁杰，王大鵬，等.TRIZ理論在專利創(chuàng)造性判斷中的應(yīng)用研究[J].電子知識(shí)產(chǎn)權(quán)，2012（1）：68-72.

[2] 張士峰.教學(xué)儀器的進(jìn)化法則[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2013（20）：35-37，41.

[3] 李治淼，崔春，劉巨保，等.基于TRIZ理論的鉆柱振動(dòng)失效預(yù)警裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（2）：328-331.

[4] 張開(kāi)驍，孔維鈺，朱衛(wèi)華，等.外光電法測(cè)量普朗克常量的誤差分析與修正[J].物理實(shí)驗(yàn)，2013（1）：40-42.

[5] 張開(kāi)驍，宋建平，劉明熠，等.一種能夠同時(shí)測(cè)量普朗克常數(shù)和逸出功的裝置及測(cè)量方法[Z].CN102589847A：2012.