第三章 心理物理学方法 PSYCHOPHYSICAL METHOD

实验心理学讲义第三章心理物理学方法1

第三章 心理物理学方法PSYCHOPHYSICAL METHOD 感觉阈限的测量

感觉阈限 感觉阈限测量的方法

• 最小变化法• 恒定刺激法• 平均差误法

信号检测论 色子游戏 人对信号刺激的觉察 信号检测论的实验方法

• 有无法• 评价法

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性 对偶比较法、等级排列法与顺序量表

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心理物理学（ 1 ）Psychophysics

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（ brightnes

s ） 强度——响度

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心理物理学（ 2 ）Psychophysics 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的问题。 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。

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一、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 psychophysics ）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。

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。

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（一）感觉阈限（ 1 ）

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，而高于绝对阈限的刺激强度我们总是能感觉到的。

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（一）感觉阈限（ 2 ）

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）

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（一）感觉阈限（ 3 ）

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. = 30.48cm

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（一）感觉阈限（ 4 ）

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 ）。

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（一）感觉阈限（ 5 ） 1846 年 E. H. Weber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 关于差别阈限的规律称为韦伯定律（ Weber Law ）。

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（一）感觉阈限（ 6 ） 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 /2000Hz 1/333

重压觉 /400g 1/77

视明度 /100光子 1/62

举重 /300g 1/52

响度 /100dB， 1000Hz 1/11

橡胶气味 /200嗅单位 1/10

皮肤压觉 /5g/mm2 1/7

咸味道 /3mol/L（ 3克分子 /公升） 1/5

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（一）感觉阈限（ 7 ）

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。

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（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。

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1 、最小变化法（ 1 ）

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。

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1 、最小变化法（ 2 ）

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。

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1 、最小变化法（ 3 ）

a

b

b

a

实际无感觉

报告无感觉

报告有感觉

实际有感觉

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2 、恒定刺激法

刺激通常都由 5——7 个组成，在实验过程中维持不变，因而这种方法叫做恒定刺激法。刺激的最大强度要大到它被感觉的概率达到 95%左右，刺激的最小强度要小到它被感觉的概率只在 5%左右。各个刺激之间的距离相等，与最小变化法不同的是，恒定刺激法的刺激是随机呈现的，每个刺激呈现的次数应相等。

在用恒定刺激法来测量差别阈限时，标准刺激和比较刺激是继时呈现的，这就可能产生时间误差。如主观相等点小于标准刺激，就产生负的时间误差。反之，就产生正的时间误差。

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3 、平均差误法（ 1 ）

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。

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3 、平均差误法（ 2 ）

求平均误差的方法有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。

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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，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。

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二、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。

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（一）色子游戏（ 1 ）

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。

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（一）色子游戏（ 2 ）

8=

3+5

0+8

1 + 4

2 + 3

3 + 2

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）

2 + 6

3 + 5

4 + 4

5 + 3

6 + 2

出现 0 的可能性为 5种

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（一）色子游戏（ 3 ）0 3 3

三颗色子数目总和 出现次数 出现次数 出现概率（ % ）

2 1 0 0

3 2 0 0

4 3 0 0

5 4 1 1/5=20

6 5 2 2/7=29

7 6 3 3/9=33

8 5 4 4/9=44

9 4 5 5/9=56

10 3 6 6/9=67

11 2 5 5/7=71

12 1 4 4/5=80

13 0 3 3/3=100

14 0 2 2/2=100

15 0 1 1/1=100

总和 36 36

表 3 色子数目总数与特殊色子出现概率的关系

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（一）色子游戏（ 4 ）

击 中 漏 报

虚 报 正确否定

色子游戏的四种情形猜

3 0

3

0

特殊色子

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（一）色子游戏（ 5 ）

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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 ）。

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（二）人对信号刺激的觉察（ 1 ）

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

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（二）人对信号刺激的觉察（ 2 ）

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。

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（三）信号检测论的实验方法

有无法ßd’

评价法ßd’

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1 、有无法（ 1 ）

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) 。

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1 、有无法（ 2 ）

击中 f1 漏报 f2

虚报 f3 正确否定 f

4

反 应y n

SN

N

刺

激P(y/SN) = f1/(f1+ f2)

P(y/N) = f3/(f3+ f4)

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1 、有无法（ 3 ）

虚报率的纵坐标击中率的纵坐标

SNN zzd

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1 、有无法（ 4 ） 当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

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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

表 4 各个确信程度含义

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三、心理量表（ 1 ）

物理刺激可由物理量表来测量。 但是，心理量的大小却不能用物理量表来测

量。 首先，这是因为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。

其次，有一些物理刺激本身就难以用物理量表来测量。

心理量表与物理量表一样，也有顺序量表、等距量表和比例量表三类。

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三、心理量表（ 2 ）Properties of Scales

Type of ScaleQuantitative Information?

Constant Unit?

Absolute Zero?

Examples of Permissible Statements

Examples

Nominal No No No A≠B Numbering of football jerseys, social security number

Ordinal Yes No No A>B Rankings of football teams, military ranks

Interval Yes Yes No (A-B)=(C-D) Temperature in ,time of day℃

Ratio Yes Yes Yes A=2B Height, weight, cost

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（一）差别阈限法、等距量表与 Fechner 定律

如果你运用差别阈限的方法制作等距量表，那么实验结果支持 Fechner 定律。

Fechner 提出，可以用 j.n.d 为单位测量感觉量的大小。客观刺激强度——∆ I主观经验的感觉—— j.n.d

Rk = logS0 + Klog(1 + W)

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（二）数量估计法、比例量表与 Stevens 定律

如果你运用数量估计法制作比例量表，那么实验结果支持 Stevens 定律。

什么是数量估计法？ S = bIa

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（三）心理物理判断的相对性

实际上，任何刺激都不是孤立地存在的，它总是在时间顺序上或空间上相对于一定的上下关系（ context ）或背景（ background ），因此，对刺激的知觉不仅依赖于刺激本身，也依赖于其背景。

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（四）对偶比较法、等级排列法与顺序量表

我们可以用对偶比较法和登记排列法制作顺序量表。

对偶比较法最早出现在颜色爱好的研究中。