6第章-心理物理学

11三月20246第章心理物理学本章主要内容：第一节 传统心理物理学感觉阈限及阈上感觉的测量第二节 心理物理函数韦伯定律；费希纳定律；史蒂文斯定律第三节 感觉的直接测量第四节 信号检测论原理及应用第二节心理物理函数物理刺激可由物理量表来测量。例如，一个西瓜的重量，我们可以用千克来量，一张桌子的长度我们用米来量。但是，心理量的大小却不能用物理量表来测量。为什么？心理量与物理量的属性不同。1ft.=30.48cm1.刺激的物理值的变化不一定会引起心理上相应的一对一的变化。例如，实验证明声音的频率从1000Hz到3000Hz增加了两倍，但作为心理量的音高却只增加了一倍。2.有一些物理刺激本身就难以用物理量表来测量。因此这些物理刺激引起的心理量的变化当然也就不能用物理量表来测量。例如，一幅山水画、书法作品就不好用什么物理量表来度量，因而，由它们引起的我们心理上的美感、喜爱程度也就不是物理量表所能测量的。心理量与物理量的关系传统心理物理学的主要研究内容：对感觉阈限的测量，三种传统心理物理法的应用；阈上感觉的测量，心理物理量表的建立。在以上两类工作的基础上，心理学家就有能力建立所谓的”心理物理函数”（psychophysicsfunction）。心理物理函数是描述对刺激的心理感受和刺激的物理属性之间关系的函数。一、韦伯定律刺激临界值函数（stimuluscriticalvaluefunctions），描述了临界刺激值（criticalstimulusvalue）即阈限，和刺激的其他方面属性的函数关系。确定感觉阈限是否受到各种因素的影响，以及受到怎样的影响。刺激强度与差别阈限之间的关系。即韦伯定律，也称为差别阈限的规律或感觉的规律。（一）韦伯定律和韦伯分数所有刺激，无论其作用于眼、耳、鼻、舌或任何其他感觉器官，其刺激强度水平与其差别阈限的大小之间存在固定的数学关系：ΔΦ/Φ=C其中ΔΦ和Φ分别代表差别阈限的大小和刺激的强度水平，C代表韦伯分数。这个公式也被叫做韦伯定律（Weber’slaw）。韦伯定律——评价比较不同感觉道及不同条件下的感受性。一个可比较辨别能力的重要指标。1.不同个体某一感觉道的辨别能力2.对不同感觉道的感受性进行比较韦伯定律只适用于中等强度范围的刺激，对于标准刺激微弱或很强时不适用。识记韦伯定律公式及定义理解：10克中增或减1克，比100克增减1克更易被觉察。定义：所有刺激，无论其作用于眼、耳、鼻、舌或任何其他感觉器官，其刺激强度水平与其差别阈限的大小之间存在固定的数学关系：ΔΦ/Φ=C韦伯定律的应用我们的舌头吃足够多的辣椒以后就可以吃更辣的辣椒？在市场营销中有多方面的运用。比如，在降或涨价的过程中；或对产品加以改变过程中的应用。二、费希纳定律费希纳(1801-1887)：德国物理学家、实验心理学家，心理物理学、实验美学的创始人。费希纳生平1.受谢林的自然科学的影响，相信自然界是有序的。2.斯宾诺沙的心身合一的双边论，心和身是同一物的两个方面，可以像研究自然一样研究人的精神世界。如何使用定量的科学方法探索研究人的精神世界？这个问题在很长一段时间困扰着费希纳，他想找到一个确定身心活动关系的方法。费希纳生平通过对感觉的实验观察，他突然领悟到在日常生活中存在一种数量关系，当感觉强度按算术级数增长的时候，刺激似乎是以几何级数增长的。费希纳生平以心理量的最小可觉差为单位，对应物理量以刺激增量为单位，看看刺激强度的变化会引起感觉上如何变化？如何测得绝对阈限和差别阈限是建立数量关系要解决的主要问题？1.他设计了三种测量感觉阈限的方法——最小变化法、恒定刺激法及平均差误法，2.差别阈限的实验使得求证过程变得非常宠大韦伯定律对费希纳的启发。刺激强度水平与其差别阈限的大小之间存在不变的正比例关系。费希纳用公式ΔΦ/Φ＝c概括韦伯的发现。韦伯定律的提出启发了费希纳，用差别阈限法构建心理量表的大量试验就可以节省下来。二、费希纳定律（一）费希纳定律的推导理论准备：1.韦伯定律是正确的，用于确定差别阈限量值。2.每一个差别阈限称为一个最小可觉差j.n.d[JustNoticeableDifference]，假设每个j.n.d在心理上都是相等的。3.心理量就用JND来作单位，物理刺激强度以刺激增量为单位，建立物理刺激强度与心理感觉之间的数量关系来说明。（一）费希纳定律的推导第1个j.n.d所对应的刺激强度：I1=I0+I0*W=I0（1+W）1第2个j.n.d所对应的刺激强度：I2=I1+I1*W=I0（1+W）2第3个j.n.d所对应的刺激强度：I3=I0（1+W）3……第s个j.n.d所对应的刺激强度：IS=I0（1+W）S

S表示主观上感觉的大小，以j.n.d为单位。I表示物理刺激的强度，I0表示刺激的绝对阈限，W表示韦伯分数。（一）费希纳定律的推导己知：某感觉道的绝对阈限为10个单位，a＝10;韦伯分数为0.2，C＝0.2。心理量………刺激强度0………………...感觉阈限a=101………………...a(1+C)=10(1+0.2)2………………...a(1+C)2＝10(1+0.2)23………………...a(1+C)3＝10(1+0.2)3….n………………...a(1+C)n＝10(1+0.2)na(1+C)n＝Φ………………...（1）心理量ψ对应的是感觉阈限上j.n.d数目ψ=log(1+C)(Φ/a)……………（2）K=1/[lg(1+C)lga]ψ=KlgΦ………………...…（3）费希纳定律的公式ψ=KlgΦψ是心理感觉的量值，Φ是物理刺激高出绝对阈限以上的单位数量，K是固定的系数。这个公式就是费希纳对数定律。感觉强度的变化和刺激强度的对数变化成正比。说明心理量是刺激量的对数函数，即当刺激强度以几何级数增加时，感觉的强度成算术级增加。以刺激强度的对数为横坐标，感觉强度为纵坐标，两者之间成线性关系。（二）费希纳定律的成立条件费希纳定律成立的条件，两个假设：（1）假定韦伯定律对所有类型和强度的刺激都是正确的；（2）假定所有最小可觉差在心理上都是相等的。对费希纳定律的批评基于以上两个假设，对费希纳定律提出不同的意见有：1.由于韦伯定律只适用于中等强度范围的刺激，对于标准刺激微弱或很强时不适用。因此，同样当刺激强度接近绝对阈限或很强时，费希纳定律就再不适用。2.关于最小可觉差在心理上是否等量，有着不同的意见。后来的实验已经证明，随着刺激强度水平的增长，每一个最小可觉差所代表的心理感受量值并不是相等的（Stevens，1936）。杜那普和皮耶隆（Durup和Piéron，1933）要求被试调整蓝色光和红色光的亮度，使它们看起来明度一致。这种判断在心理上都是对明度感觉。调整蓝色光和红色光增减同数量的最小可觉差。如果最小可觉差是不变的，那调整后的两色光明度应该是一样的。实验结果表明：明度一致的两种色光，在同样变化相同数量的最小可觉差之后，明度变得不一致了。3.以W.詹姆斯为代表的内省心理学家认为，每个感觉都是完整的，是不能分析成部分的。对深红色的感觉是一个完整的感觉，而不是感到一份浅红色上加上许多浅红色。三、史蒂文斯定律心理量和物理量之间的共变关系，并非对数函数关系，而应是一个幂函数关系。也被称为幂定律。这一方法是对心理感觉的直接测量。被认为是现代心理物理法的开端。不管心理量与物理量之间的关系依什么定律，它们之间都有一定的函数关系。这是肯定的。（一）史蒂文斯定律的由来对最小可觉差的重新理解：神经量子理论在声音的辨别实验，推论基本神经过程是按全或无定律进行。假设反应刺激变化过程的神经结构在机能上被分为各个单元或量子。声音静息激活水平阈限水平神经量子神经量子论的模型有两种连续体：（1）刺激连续体（stimuluscontinuum）（2）神经单元阶梯式的感觉连续体（sensorycontinuum）在刺激连续体上，St是标准刺激值。a、b、c是肯定能够兴奋附加量子的刺激增量；ΔΦ只能部分兴奋神经量子所需要的刺激增量。在感觉连续体上，P是St产生的“剩余”兴奋量只有ΔΦ+剩余量(P)达到等于或大于兴奋一个附加量子所需的能量(Q)时，才能产生可觉的感觉反应。ΔΦ=Q-PΔΦ≥Q-P时，给定的ΔΦ就完全可以兴奋附加量子。增量愈大，辨认的数量愈多。理论上刺激反应间关系曲线应是梯形跳跃式实际测量是递加的拱形曲线刺激强度Φ正确感觉差别的反应（二）幂定律的提出数量估计法主试者先呈现一个标准刺激，例如，一个重量，并赋予标准刺激一个主观值，例如为10然后让被试者以这个主观值为标准，将其他比较刺激的主观强度用数据表示。以刺激值为横坐标，感觉值为纵坐标，制成感觉比例量表。假设：如果两个刺激的比例不变，则由此引起的感觉的比例也不变。以Si和Sj代表Ii和Ij所引起的心理量Ii/Ij=K，Si/Sj=N （K、N为常数）lgIi-lgIj=lgK，lgSi-lgSj=lgN。这个结果表明在双对数坐标上，在物理量表上距离相等的两个刺激在心理量表上距离也相等（见下图）。双对数坐标得到的直线图以上直线可表示为lgS=algI+lgb（y=kx+b的形式)两边取反对数得到S=Ia×b即S＝bIa提出了刺激强度和感觉量之间关系的幂定律：S＝bIaS是感觉量；I代表物理量；b是由量表单位决定的常数；a是感觉道和刺激强度决定的幂指数。实验者呈现一个标准刺激，一个长度（某一明度或某一电击），规定它的主观值为1。以这个主观值为标准，对其他同类强度不同的刺激进行判断，用一个数字表示。电击的感觉强度比产生电击的物理强度的增长快得多 S＝I3.5

2.明度比光能的增长却慢得多

S＝I0.343.线段的主观长度和线段的物理长度则有同样的增长率

S＝I1

电击：S＝I3.5明度：S＝I0.34长度：S＝I1电击：logS＝3.5logI明度：logS＝0.34logI长度：logS＝logI幂函数的指数值a决定着曲线的形状。例如，当指数值为1.0时，便是一条直线，即刺激和感觉之间为简单的正比关系；a>1时，则为正加速曲线；a<1时，便为负加速曲线。心理物理学三大定律的比较比较内容韦伯定律费希纳定律史蒂文斯定律基础重量辨别实验韦伯定律神经量子理论表达式ΔΦ/Φ=C其中ΔΦ和Φ分别代表差别阈限的大小和刺激的强度水平，C代表韦伯分数（Weber’sfraction）。ψ=KlgΦψ是心理感觉的量值，Φ是物理刺激高出绝对阈限以上的单位数量，K是固定的系数。S＝bIaS是感觉量；I代表物理量；b是由量表单位决定的常数；a是感觉道和刺激强度决定的幂指数。含义所有刺激，无论其作用于眼、耳、鼻、舌或任何其他感觉器官，其刺激强度水平与其差别阈限的大小之间存在固定的数学关系。感觉强度的变化和刺激强度的对数变化成正比。说明心理量是刺激量的对数函数，即当刺激强度以几何级数增加时，感觉的强度成算术级增加。心理量与物理量的幂成正比例函数关系。比较内容韦伯定律费希纳定律史蒂文斯定律应用比较不同感觉道及不同条件下的感受性。对差别阈限法制作心理-物理量表的发展。不同感觉通道之间的主观量比较。适用条件只适用于中等强度范围的刺激，对于标准刺激微弱或很强时不适用。假定韦伯定律对所有类型和强度的刺激都是正确的；假定所有最小可觉差在心理上都是相等的。幂定律的重要性在于其相等的刺激比例产生相等的感觉比例这一含义。由此可以认为，如果所有的刺激强度都按百分比增加或是减少，那么感觉变化的比例则保持恒定。第三节感觉的直接测量一、感觉的直接测量法感觉的间接测量是指借助于某一中介变量或中介反应来测量感觉（如恒定刺激法、最小变化法、调整法）。间接的方式确定心理量的大小：被试需要反应的是对刺激有无的判断，或是将刺激调整到心理上等值，却并不需要直接报告自身感觉的强弱程度。直接测量感觉：对心理感受直接按其强度赋予数值，而不必通过如最小可觉差的个数等中介变量或有无刺激出现等中介反应。感觉直接测量法主要有数量估计、数量生产和绝对数量估计。（一）数量估计数量估计（MagnitudeEstimation）：Richardson和Ross（1930）程序：被试听到一个标准音调而且被告知它的响度用数字“1”来表示。然后要求被试用其他数字表示测验的音调，这些音调在强度上与标准数字”1”成比例变化。当声音强度用被试直接赋予的数值来描述时，得到的结果是一个幂函数而不是费希纳的对数函数。其研究结果可视作史蒂文斯定律（S＝bIa）的前身被试在数量估计中用数字表示的反应R随刺激强度¢的变化能够描述为一个幂函数，方程包含指数β和常数k。R=kφβ VS ψ＝kφβ其中的变化在于公式左边由表示被试估计数字的反应R，变成了代表心理感觉量值的ψ。因此，隐含在史蒂文斯定律中的一条假设是：他假设观察者的平均反应是和感觉经验的数量成比例的（R∝ψ，∝指成比例）。数量估计法的两种形式（一）其一是给被试呈现一标准刺激，并告诉他们这一刺激对应的感觉是某个确定值，例如10。在随后的试验中，被试要根据标准刺激的数值，给由其他刺激（标准刺激的某个倍数）产生的感觉赋值。一般来说，使用大约10到20个刺激且每个刺激以随机顺序呈现给被试2到3次。通过每个被试对每个刺激的反应来计算中数或几何平均数，然后通过计算所有观察者的中数或几何平均数把数据结合在一起（Stevens，1957，1958）。数量估计法的两种形式（二）其二是没有标准刺激的初始赋值，所有刺激都随机呈现给被试。他们要对第一个呈现的刺激随意指定一个数值来代表它所产生的感觉量，并据此对接下来的所有刺激一一赋值。不少研究者认为这种形式的数量估计法更好一些，因为它让被试自己决定采用的数字大小范围，能够避免因实验者指定的标准刺激感觉量值不合被试使用习惯而造成的影响。算术平均数与几何平均数在数量估计法中，绝少使用算术平均数进行统计，而普遍采用几何平均数（n个正数乘积的n次方根）。原因几何平均数能避免少数被试在赋值时采用极大或极小数字的影响。如果心理-物理的幂函数关系正确的话，那么几何平均数能保留在算术平均过程中损失的心理物理函数特征。如果不同被试的幂函数具有不同的指数，那么这些被试数据的几何平均仍然服从幂函数关系，其指数将是所有被试各自幂函数指数的算术平均数；反之，对所有被试数据作算术平均，最终的结果很可能不再服从幂函数关系。（二）数量生产数量生产（MagnitudeProduction）是数量估计法的反向程序。在数量生产中，给被试一个用数字表示的感觉量值，要求他们调整刺激产生相应的感觉量。数量生产法配合对同一感觉的数量估计法测量，可以作为抵消任一种方法固有系统误差的方式（Stevens，1958）。直接测量中的系统误差此处的系统误差主要是数量估计时的回归效应，指被试避免作出极端反应、尽量向中间反应值靠拢的倾向。可以预计被试对刺激的赋值一般会在中间大小的数字范围内。非常弱的刺激所引起的感觉数量估计可能会被夸大，而那些强刺激所引起的感觉量可能会被估计不足。在数量生产程序中，情况恰恰相反：当被试试图调整很小数值对应的刺激时，回归效应会使得调整结果