三章心理物理学方法

1、三章心理物理学方法第三章 心理物理学方法网络流行语“世界上最远的距离莫过于我站在你身边， 你不知道我爱你” 物理的心理的？两者之间有没有联系？有可研究的方法吗？感觉过程仅仅涉及感受性吗？实验心理学讲义第三章 心理物理学方法心理物理学 研究心身之间或心物之间的函数关系的精密科学，包括感觉、知觉、感情、注意、行为等。实验心理学讲义本章的重难点1、感觉阈限的测量感觉阈限及测量的方法（理论加实验）最小变化法；恒定刺激法；平均差误法2、信号检测论（理论加实验）信号检测论的实验方法：有无法，评价法3、心理量表差别阈限法、等距量表与Fechner定律数量估计法、比例量表与Stevens定律心理物理判断的相对

2、性对偶比较法、等级排列法与顺序量表实验心理学讲义本章的重难点一、心理物理学概述二、感觉阈限的测量三、信号检测论四、心理量表实验心理学讲义一、心理物理学概述定义：就是研究心理量和物理量之间的关系的科学。物理量是指对身体各感官的刺激；心理量是指各种感觉或主观印象。亮度（luminance）明度（brightness）强度响度实验心理学讲义一、心理物理学概述心理物理学的先驱是G. T. Fechner（1801-1887）。Fechner通过对感觉强度与刺激强度之间的数量关系的长期研究，发展出了测量感觉的基本方法。 一百多年来，心理物理学方法不断发展，但它的中心问题仍然是物理量和心理量之间的数量关系

3、的问题。实验心理学讲义一、心理物理学概述费希纳费希纳，古斯塔夫西奥多（Fetcher， Gustav Theodora18011887）德国哲学家、物理学家、心理物理学的主要创建人。 费希纳因其心理物理学而著名于世。心理学史家D舒尔茨写道： 185O年1O月22日早晨，心理学史上的一个重要日子，费希纳忽然领晤到心与身之间的联系法则可以用物质刺激与心理感觉之间的数量关系来说明。两者之间的关系可以用一个方程式来表示：S=KlogR。这里S是感觉量，R是刺激量，K是常数。这是一种对数关系，因为感觉量是以算术级数增加，而刺激量则是按几何级数增加。刺激强度的增加不会产生感觉强度的相应增加。例如，在1个正

4、在响着的铃声上增加1贝尔，其所引起的感觉强度的增加量要大。因此，对于当时已经存在的感觉量来说，刺激强度的效果不是绝对的，而是相对的。实验心理学讲义一、心理物理学概述19世纪初，I.康德曾预言，心理学决不可能成为科学，因为它不可能通过实验测量心理过程。由于费希纳的成果，科学家才第一次能够测量精神。然而，正如费希纳自己所说，当时E.韦伯也在莱比锡大学，而且在4年前就写了有关于这方面的材料。而费希纳直到开始进行一系列设计好的实验来检验自己的假设之后，才发现了韦伯的研究成果。那时费希纳才知道，他的原理实质上早已为韦伯的研究结果证明了，他只是对心理与物理的关系赋予了数学的形式而已。心理物理学纲要实验心理

5、学讲义一、心理物理学概述韦柏定律，即感觉的差别阈限随原来刺激量的变化而变化，而且表现为一定的规律性，用公式来表示，就是I/I=K，其中I为原刺激量，I为此时的差别阈限，K为常数，又称为韦柏率韦伯定律（Webers Law） E.H. 韦伯是德国莱比锡大学的解剖学教授，他因两点阈和最小可觉差研究成为心理物理学的奠基者。实验心理学讲义一、心理物理学概述韦伯以前的学生、莱比锡大学的物理学教授费希纳把韦伯的研究结果转变成了数学形式：I/I=K，这就是现在人们所熟悉的韦伯定律。在这个公式中，I代表刺激的最小可觉差（J.N.D.），I代表标准刺激的强度，K是特定感觉道的定值，也叫作韦伯比例或韦伯分数。实验

6、心理学讲义心理物理学概述心理物理学方法所处理的问题大体上可以分为两大类感觉阈限的测量；阈上感觉的测量，也就是心理量表的制作。自从本世纪50年代，W. P. Tanner, Jr.和J. A. Swets把信号检测论（signal detection theory，SDT）引入心理学领域以来，又为心理物理学的研究提供了一个新的有力工具。实验心理学讲义二、感觉阈限的测量著名的实验心理学史专家Edwin G. Boring（1950）认为对内部感受（internal impression）（the psycho of psychophysics）与外部世界（the physics of the ps

7、ychophysics）之间关系的测量方法的引入，是科学心理学开始的一个标志。实验心理学讲义二、感觉阈限的测量这主要是因为科学家使用心理物理学的方法提出了第一个心理现象的精确定律（mathematical laws），尽管这个定律不一定那么完美。首先，测量感觉是非常困难的，我们不能象测量石头的重量或光的强度那样来测量感觉。其次，内部判断与作用于感受器的物理量之间并不是完全一对一的。因此，我们必须把物理刺激及其引起的感觉区分开。 实验心理学讲义（一）感觉阈限刚刚能引起感觉的最小刺激强度被叫做绝对阈限（absolute threshold）。按照这种说法，低于绝对阈限的刺激强度我们总是感觉不到的，

8、而高于绝对阈限的刺激强度我们总是能感觉到的。有50%的次数能引起感觉，50%的次数不能引起感觉的那一种刺激强度。 （操作定义）实验心理学讲义（一）感觉阈限实验心理学讲义（一）感觉阈限有50%的次数能引起感觉，50%的次数不能引起感觉的那一种刺激强度。 （操作定义）实验心理学讲义（一）感觉阈限 表1 某些近似的觉察阈限感觉种类觉察阈限值视 觉清晰无雾的夜晚30英里处看到的一只烛光听 觉安静条件下20ft.处表的滴答声味 觉一茶匙糖溶于8L水中嗅 觉一滴香水扩散到三室一套的整个房间触 觉一只蜜蜂的翅膀从1cm高处落到你的背部 *引自Schiffman（1996），这些阈限值仅作示意用。1ft. =

9、 30.48cm实验心理学讲义（一）感觉阈限差别阈限是有50%的次数能觉察出差别，50%的次数不能觉察出差别的刺激强度的差别。差别阈限值也称最小可觉差（just noticeable difference，j.n.d）。实验心理学讲义（一）感觉阈限1846年韦伯发表了他关于重量差别阈限的研究，系统地阐明了差别阈限和标准刺激之间的关系。他指出差别阈限和标准刺激成正比，并且差别阈限和标准刺激的比例是一个常数，通常用 I/I = k 表示。在这里，I代表差别阈限，I代表标准刺激强度，k是小于1的常数。K也称作韦伯比例或韦伯分数。不同感觉道的韦伯分数是不同的。后来，Fechner把这个 关于差别阈限的

10、规律称为韦伯定律（Weber Law）。 实验心理学讲义（一）感觉阈限 表2 最优条件下各种感觉道的韦伯比例 感 觉 道韦 伯 比 例 音高/2000Hz1/333 重压觉/400g1/77 视明度/100光子1/62 举重/300g1/52 响度/100dB，1000Hz1/11 橡胶气味/200嗅单位1/10 皮肤压觉/5g/mm21/7 咸味道/3mol/L（3克分子/公升）1/5实验心理学讲义（一）感觉阈限韦伯定律的主要贡献第一，给我们提供了一个比较辨别能力的指标。第二，可对不同感觉道的感受性进行比较。 实验心理学讲义（二）测量感觉阈限的方法测量感觉阈限的方法有三种最小变化法恒定刺激法

11、平均差误法学习者应特别注意这三种方法的实验程序和实验结果的统计处理。实验心理学讲义1、最小变化法定义 它又称为极限法、序列探索法、最小可觉察法，它是将刺激按递增或递减系列的方式，以间隔相等的小步变化，寻求从一种反应到另一种反应的瞬时转换点或阈限的位置。绝对阈限的计算： a. 计算每个刺激系列的阈限，被试反应转折点处所对应的两个刺激强度的中点。 b. 求出所有系列阈限的均值，就是绝对阈限。实验心理学讲义1、最小变化法差别阈限的计算： 1.自变量用极限法测定差别阈限时，每次要呈现两个刺激，让被试比较，其中一个是标准刺激（standardstimulus，简称St），即刺激是固定的，其强度大小不变；

12、另一个是比较刺激（comparisonstimulus）又称变异刺激（variancestimulus，简称Sv），即刺激的强度按由小而大或由大而小顺序排列。标准刺激和比较刺激可同时呈现，标准刺激在每次比较时都出现，比较刺激按递增或递减系列，以测定绝对阈限的同样方法与标准刺激匹配呈现。2.反应变量用极限法测定差别阈限的反应变量要求被试以口头报告方式表示，一般用三类反应，将比较刺激与标准刺激加以比较，当比较刺激大于标准刺激时，主试记录“+”；当比较刺激等于标准刺激时，主试记录“=”；当比较刺激小于标准刺激时，主试记录“-”。当被试在比较时表示怀疑，可记作“？”实验心理学讲义差别阈限的计算： a.

13、在递减系列中，最后一次“”到非“”之间的中点，为差别阈限的上限，用Lu表示；第一次非“”到 “”之间 的中点为差别阈限的下限，用Ll来表示。 b. 在递增系列中，最后一次“”到非“”之间的中点，为Ll ；第一次非”到 “”之间的中点为Lu 。 c. 上限与下限之间的距离为不肯定间距Iu d. 不肯定间距的中点是主观相等点。 e. 不肯定间距的一半或取上差别阈限和下差别阈限之和的一半为差别阈限。实验心理学讲义1、最小变化法差别阈限的计算： 误差及其控制在测定差别阈限时，也必须想方设法控制常误。除了要控制习惯和期望误差外，还要控制因标准刺激和比较刺激同时呈现所造成的误差。控制方法可采用多层次的AB

14、BA法，如下形式为一种多层次的ABBA法的控制：ABBA法的控制形式比较刺激系列呈现顺序标准刺激呈现位置左右右左右左左右相继呈现的先后顺序前后后前前后后前实验心理学讲义不肯定间距 和主观相等点测量差别阈限，最后的结果就会有上限和下限之分，这中间就是不肯定间距，也就是不能与标准刺激区分开的一段距离。在极限法和平均差误法中，主观相等点都是不肯定间距的中点。而恒定刺激法就有点特殊。在恒定刺激法两类反应测差别阈限的实验里，首先它的上限是75%次反应有刺激的数值，而下限25%次反应有刺激的数值，差别阈限就是这两个数值确定的不肯定间距的一半。这个实验里的主观相等点，是50%次反应为有刺激的数值，这里的主观

15、相等点，是与标准刺激区分最不好的一个数值，是被试在实验中真正参照比较的数值，符合主观相等点的定义，但是却不一定是不肯定间距的中点。 实验心理学讲义误差控制： 习惯误差在递增系列中，阈值偏高；递减系列中，阈值 偏低。 期望误差在递增系列中，阈值偏低；递减系列中，阈值 偏高。 递增递减序列要做到数量一致。 练习误差可能使阈限降低。 疲劳误差可能使阈限升高。 递增、递减系列按照ABBA法安排，交替进行。实验心理学讲义1、最小变化法最小变化法最小变化法的刺激由递减和递增的两个系列组成，每次呈现刺激后让被试报告他是否有感觉。刺激的增减应尽可能地小，目的是系统地探求被试由一类反应到另一类反应的转折点，即在

16、多强刺激时，由有感觉变为无感觉，或由无感觉变为有感觉。每个系列的转折点就是该系列的绝对阈限。实验心理学讲义1、最小变化法当用最小变化法进行实验时，被试会产生习惯误差或期望误差。所谓习惯误差就是指被试因习惯于由原先的刺激所引起的感觉或感觉状态，而对新的刺激作了错误的判断。期望误差是指被试因过早期望将要来临的刺激而导致错误的判断。 实验心理学讲义1、最小变化法abba实际无感觉报告无感觉报告有感觉实际有感觉实验心理学讲义1、最小变化法结合实例，用最小变化法求手背肤觉绝对阈限和差别阈限？实验心理学讲义2、恒定刺激法恒定刺激法（或固定刺激法）（methodofconstantstimulus）又叫正误

17、法（true-falsemethod）、次数法（frequencymethod），它是心理物理学中最准确、应用最广的方法，可用于测定绝对阈限、差别阈限和等值，还可用于确定其他很多种心理值。实验心理学讲义2、恒定刺激法定义 又叫做正误法、次数法，心理学中最准确、应用最广的方法。具体做法： a. 主试从预备实验中选出少数刺激，一般是57个，这几个 刺激值在整个测定过程中是固定不变的。 b. 选定的每种刺激一般要呈现50200次。 c. 刺激呈现的顺序事先经随机安排，不告诉被试。 d. 统计结果时，求出各个刺激变量引起某种反应的次数。 特别注意：实验前要选定刺激，且最大刺激强度应为每次呈现几乎都能为

18、被试感觉到的强度，最小强度应为每次呈现都几乎感觉不到的强度。选定范围后，再在此范围内取距离相等的刺激。实验心理学讲义2、恒定刺激法（一）用恒定刺激法测定绝对阈限1.自变量用恒定刺激法测定绝对阈限，是从略高于感觉到略低于感觉这一范围内选5到7个等距的刺激强度。2.反应变量用恒定刺激法测定绝对阈限的反应变量要求被试者以口头报告方式表示，在实验中每呈现一次刺激后，被试者若感觉到了，则报告“有”，主试者记录“+”；被试者若感觉不到，则报告“无”，主试者就记录“-”。然后根据被试者对不同刺激所报告的“有”或“无”的次数来求出百分数，以此来计算阈限。3.绝对阈限的计算用恒定刺激法计算绝对阈限的方法很多，我

19、们用测定两点阈的实验为例来说明这些方法。首先选出最大刺激和最小刺激，分别为12毫米和8毫米，在这个范围内选定间隔为1毫米的刺激5个：各刺激的两点距离分别为8、9、10、11、12毫米，每个刺激共呈现200次，所有刺激共呈现1000次，刺激按随机顺序呈现，每次呈现后，要求被试报告是“两点”还是“一点”。实验结果见表4-5。实验心理学讲义绝对阈限的计算 用直线内插法求绝对阈限。就是将刺激作为横坐标，以正确判断的百分数作为纵坐标，画出曲线，然后再从纵轴的50处画出与横轴平行的直线，与曲线相交与点a，从点a向横轴画垂线，垂线与横轴相交处就是要求的绝对阈限。差别阈限的计算 根据数据，画出比标准刺激重、比

20、标准刺激轻、和标准刺激相等的三条曲线，然后根据直线内插法，求得50的次数被判断比标准刺激重的差别阈限的上限和50的次数被判断比标准刺激轻的差别阈限的下限，最后得出差别阈限。 若被试的反应只有两类，则选取75处。实验心理学讲义75%的差别阈限二类反应的差别阈限的计算：这里以重量辨别为例。以200克的重量为标准刺激，以从185到215克中的间隔为5克的7个重量为比较刺激，要求被试者只作“重”和“轻”这二类反应。用这种方法取得的实验数据，以重于标准刺激的比例和轻于标准刺激的比例分别画出两条曲线，这两条曲线恰好在50%处相交。如图4-5所示，两条曲线恰好在50%处相交，这说明199克有一半的次数被判断

21、为重于标准刺激，另一半的次数被判断为轻于标准刺激。也就是说，它被判断为与标准刺激主观上相等。在这种特例的情况下，就不可能取与50%点相对应的比较刺激作为上限和下限了，与标准刺激完全能辨别的重量是在100%处，与标准刺激不能辨别的重量则在50%处，因此，取此两者的中点（亦即在75%处）作直线内插与两条曲线相交，以求得上限和下限。这样求得的差别阈限与前面所提到的操作定义不相符合，因为上限和下限与标准刺激比较都有75%的次数可辨别，所以常把这种差别阈限称之为75%的差别阈限，它是差别阈限中的一种。实验心理学讲义三类反应的差别阈限的计算：这里以重量辨别为例。以200克的重量作为标准刺激，以从185至2

22、15克中的7个重量作为比较刺激，7个重量间的间隔各为5克，要求被试作“重”、“相等”和“轻”这三类反应。实验心理学讲义3 平均差误法定义 又称调整法、再造法、均等法。相对其它比较简单，就是呈现一个标准刺激，令被试再造、复制或调节一个比较刺激，使它与标准刺激相等。若是测量绝对阈限，即是让标准刺激等于0。也可分为递减和递增两种。阈限的计算： 绝对阈限就是被试每次调整的算术平均数。 实验心理学讲义差别阈限的计算： 被试多次调整结果的平均数为主观相等点。主观相等点与标准刺激的差为常误。用此方法得出的差别阈限只是一个估计值，又称为平均差误。有两种计算方法： a.把每次调整结果与主观相等点的差的绝对值加以

23、平均。 b. 把每次调整结果与标准刺激的差的绝对值加以平均作为差别阈限的估计。误差控制 动作误差和时间误差可采用多层次的ABBA法（标准刺激和比较刺激呈现的顺序），还可以使比较刺激从小到大，从大到小，两个方面进行调整。实验心理学讲义3、平均差误法这个方法的典型实验程序是，实验者规定以某一刺激为标准刺激，然后要求被试调节另一个比较刺激，使后者在感觉上与标准刺激相等。客观上一般不可能使比较刺激与标准刺激完全一样，于是每一次比较就都会得到一个误差，把多次比较的误差平均起来就可得到平均误差。因为平均误差与差别阈限成正比，所以可以用平均误差来表示差别感受性。实验心理学讲义3、平均差误法求平均误差的方法有

24、两种把每次调节的结果（或每次的判断）与标准刺激之差的绝对值平均起来作为差别阈限。把每次调节的结果与主观相等点之差的绝对值平均起来作为差别阈限。在这里，主观相等点是相等地带的中点，它等于各比较刺激的平均值。实验心理学讲义三种方法的比较以上3种古典心理物理学方法各有自己的特点最小变化法的实验程序和计算过程都具体地说明了感觉阈限的含义，但它会因其渐增和渐减的刺激系列而产生习惯误差与期望误差。恒定刺激法的实验结果可以应用各种数学方法加以处理，因而便于与其它测定感受性的方法进行比较。在应用3类反应的实验程序时，被试的态度会对差别阈限值有较大影响。平均差误法的特点是求等值，它的实验程序容易引起被试的兴趣，

25、但对不能连续变化的刺激则不能用平均差误法来测其差别阈限。 实验心理学讲义三、信号检测论信号检测论（signal detection theory，SDT）是信息论的一个重要分支。1954年，美国心理学家W. P. Tanner和J. A. Swets把它应用于人的知觉过程，使心理物理学方法发展到一个新的阶段。实验心理学讲义（一）色子游戏假设一次掷三颗色子：两颗是正常的，即每个面有一个数字，依次为1到6。第三颗是特殊的，三面写0，另三面写3。你的任务是猜测，特殊色子的哪一面朝上？在猜测之前，告诉你三颗色子朝上的数目总和。实验心理学讲义（一）色子游戏 8=3+50+81 + 42 + 33 + 2

26、4 + 1出现3的可能性为4种总数特殊色子（三）正常色子（二）正常色子（二） + 6 + 5 + 4 + 3 + 2出现0的可能性为5种实验心理学讲义（一）色子游戏033三颗色子数目总和出现次数出现次数出现概率（%）2100320043005411/5=206522/7=297633/9=338544/9=449455/9=5610366/9=6711255/7=7112144/5=8013033/3=10014022/2=10015011/1=100总和3636表3 色子数目总数与特殊色子出现概率的关系实验心理学讲义（一）色子游戏击 中漏 报虚 报正确否定色子游戏的四种情形猜3030特殊色子

27、实验心理学讲义（一）色子游戏实验心理学讲义操作特征曲线以虚报率作为横坐标，击中率作为纵坐标做图时，我们就可以形象地看到随着标准的变化，击中率与虚报率也相应地发生变化的情形。这个曲线上各点代表在特定刺激条件下被试所采用的各种反应方式，所以叫做接受者操作特点（特征）曲线（receiver operating characteristic curve, ROC）。实验心理学讲义（二）人对信号刺激的觉察 色子游戏 已知色子数目总和 3 判断 0 信号觉察 获得某种感觉 信号 判断 噪音实验心理学讲义（二）人对信号刺激的觉察因此，上面对色子游戏的分析也就完全适用于人对信号的觉察过程。人对信号的觉察也有击

28、中、虚报等四种情形；随着标准的变化，其击中率与虚报率也在变化；也同样可以绘制其操作者特征曲线和分布曲线。实验心理学讲义（三）信号检测论的实验方法有无法d评价法d 实验心理学讲义1、有无法这个方法要求事先选定SN刺激和N刺激，并规定SN和N出现的概率，然后以随机方式呈现SN或N，要求被试回答，刚才的刺激是SN还是N。根据被试对呈现刺激的判断结果来估计P(y/SN)和P(y/N)。实验心理学讲义1、有无法击中 f1漏报 f2虚报 f3正确否定f4反 应ynSNN刺 激P(y/SN) = f1/(f1+ f2)P(y/N) = f3/(f3+ f4)实验心理学讲义1、有无法实验心理学讲义1、有无法当

29、被试的反应方式或判断标准发生变化时，虽然击中率和虚报率也发生变化，但如果信号和噪音的差别不变，根据击中率和虚报率计算出来的SN分配和N分配的平均数的距离并不变化，也就是对于ROC曲线上的各点来说，d是恒定的，所以ROC曲线又叫做等感受性曲线。纯机遇线实验心理学讲义2、评价法表4 各个确信程度含义实验心理学讲义2、评价法确信程度含 义相应的概率判断第6等十分肯定有信号出现100%有信号出现第5等肯定有信号出现80%有信号出现第4等可能有信号出现60%有信号出现第3等可能没有信号出现40%有信号出现第2等肯定没有信号出现20%有信号出现第1等十分肯定没有信号出现0%有信号出现实验心理学讲义总结Ps

30、ychophysical Laws and TheoriesLaw/TheoryDescriptionCommentsWebers LawS/S = k; the difference threshold is a constant ratio of the stimulus value at which it is computedHolds for the middle ranges of most stimulus dimensions. Is useful for comparing the sensitivity of different sense modalities.Fechn

31、ers LawR = kS; sensation is proportional to the logarithm of stimulus intensity.Fechners Law was derived from Webers law, using the jnd as the unit of sensation.Stevens Power LawR = kSn; sensation is proportional to the nth power of stimulus intensity.The power law tends to be supported in studies u

32、sing direct scaling methods.Signal Detection TheoryIn a detection task the observer evaluates the relative likelihood that the perceived stimulus level comes from signal plus noise rather than noise alone. A cutoff point is established for reporting whether or not a signal was presented.This theory is especially useful for se