基本介紹
- 中文名：心理物理定律
- 外文名：Psychophysical Law
- 目的：解釋感官系統的活動預測感覺行為
- 領域：心理學
閾上感覺的測量,概述,差別閾限,經典的心理物理量表,心理物理量表的修訂,心理物理量表的比較,心理物理定律的解釋,“轉換”函式,非線性,韋伯定律,閾限測量,視覺,聽覺,其地感覺道,
閾上感覺的測量
概述
和閾限測量一樣，閾上感覺的測量也取決於行為反應。心理物理學理論的目的是試圖解釋刺激變數和有關反應（通過相應的感覺道的中介）間的關係。這些理論的基礎是三個獨立而相關的維度或連續體：（1）物理（刺激）連續體；（2）假設的主觀或感覺連續作；（3）判斷或行為反應連續體。經典的“感覺”概念指的是第二個連續體。但是必須指出，“感覺”其實不是一個心理存在，而是一個假設的結構，是一個根據刺激範圍加以操作定義，並與反應範圍相關的函式。我們假定每個向被試呈現的刺激都能產生一個辨別過程或中介連續體上的表象。心理物理學理論直接指向假設連續體上出現的事物，因此能夠解釋作為中介的感覺（行為）反應。基於假設連續體和判斷反應連續體之間存在一個正線性相關的假定，獲得的行為反應可以作為假設連續體的相關變數的測量。
差別閾限
差別閾限測量的是觀察者對刺激間閾上差異的辨別能力。1834年，E.H.韋伯在《論觸覺》中報告感覺辨別是相對的，即能引起感覺變化的刺激強度升高或降低的量（ΔΦ）是原始刺激（Φ）的強度的固定比率。用數學公式表示就是ΔΦ=KΦ，其中K是一個相應的常量。這個公式叫作韋伯定律，它被當作是對所有感覺道刺激辨別的一般說明，並得到了許多實驗的證明。但是，韋伯率在很低的刺激水平時就不穩定了，它的值要依賴於實驗的情境，在高刺激強度時也不成立。同樣，很多感覺道實驗說明ΔΦ是Φ加上一個常量的比率，而不是單單一個Φ。
經典的心理物理量表
1860年，G.T.費希納在《心理物理學綱要》中介紹了幾種心理物理法，他聲稱通過這幾種方法能夠確定作為刺激量函式的感覺量。從韋伯定律和其他幾個假設出發，費希納用“最小可覺差”（j.n.d.）構築了一個基本的對數定律ψ=Klog(Φ/b)，其中ψ代表心理量，Φ代表刺激的物理值，b是絕對閾限的刺激量，K是一個相應的常量。 費希納定律說明，當刺激強度呈幾何級數上升時，感覺量以算術級數遞增；這樣，相等的刺激率產生相等的感覺閾限。
一個多世紀以來，費希納定律受到了很多批評。這些非議主要圍繞三個方面的問題：（1）感覺不是數量化的，所以不能測量；（2）韋伯定律是一個近似的定律，它不是在所有刺激範圍內都成立的；（3）主觀上，所有的最小可覺差不是都相等的。結果產生了大量費希納定律的修正公式，這裡只闡述其中的幾個。
在視覺明度辨別的心理物理學研究中，感覺量（ψ）與刺激強度的關係由H.V.赫爾姆霍茨於1866年在《視覺心理物理手冊》中提出：其中a,b,k都是常量。這個二次函式說明在高刺激強度，感覺量會接近漸近線的上限。但是，它與某些實驗情境尤其是與灼傷的實驗數據不符。1922年，A.皮奧特在《論溫度》中提出對溫度的感覺量和味覺都是刺激強度的冪函式。1931年，E.津納提出感覺是刺激強度正切的冪用數。1932年，J.P.吉爾福特在《心理定律的興起》中說：刺激大小和感覺反應間存在指數函式關係，指數不是一個常量；冪函式以前也有人提出過，如J.A.F.普拉蒂厄在1872年，F.布倫塔諾在1874年的《經驗主義心理學》中。通過對費希納公式進行積分，同時假定韋伯率（ΔΦ/Φ）是一個常態分布，R.A.胡斯頓（1932）提出了一個心理物理定律，它是經典的Φ～r函式的積分，科索在1967年的《感覺行為的實驗心理學》中對此作了描述。
心理物理量表的修訂
如果假定費希納定律是正確的，那么二分法所得變異刺激的強度應該等於兩個終端刺激的幾何平均數。但是許多研究結果發現中間那個值更接近於算術平均數而不是幾何平均數。因此，費希納通過刺激辨別的間接方式測量感覺反應的結果，並沒有得到相等感覺距離的直接測量證明。假如觀察者能夠有效地判斷兩個感覺的間距是否相等，那么直接測量程式產生的是感覺量的等距量表和感覺間距的比率量表。
1930年，L.F.理查森和J.S.羅斯用直接的數量估計法測量了聽覺反應，這種方法要求觀察者為感覺到的聲音強度指派數字。S.S.史蒂文斯在1956年把這種方法命名為數量估計法，並在1960年用了各種直接的量表法後，指出對幾乎所有的感覺道和刺激維度，感覺大小（ψ）是刺激強度（Φ）的指數函式：ψ=K（Φ） ，其中n是一個特定刺激連續體的經驗值，K是一個決定量表單位的任意常量。這個函式已用於30多個感覺維度，包括響度、亮度、視野、咖啡味覺、甜覺、溫覺、振動覺、噪音持續時間、重量覺、觸覺、電擊、手掌握力等等，指數範圍從明度的 0.33到電擊的 3.5。由於冪指數的值取決於特定的實驗條件，所以沒有哪個心理物理函式適用於所有的感覺維度。另一方面，冪定律作為一個心理物理定律不適用於非量化的感覺屬性。
有時候，一個給定的心理物理函式在log-log 坐標系中會偏離冪定律所應顯示的直線型態，當刺激值低時，呈現一個下凹的曲線。為此，史蒂文斯（1961）建議物理量表上的零點不應取物理量的零，而應取絕對閾限（Φ）。這樣，經過修正的冪定律就變成了 ，可以適用於更廣的實驗情境。
在很多情況下，如果盡求Φ。的取值能夠滿足線性函式的需要，那么它就難以接近絕對閾限的值，因此，1963年科索在他的《閾限概念的理論與歷史回顧》中批評了這種對冪定律一味進行修正的做法，認為Φ。的確切值應與特定的經驗操作相聯繫。1971年，科索重新考察了有關量表的文獻，把冪定律表述為 ，其中A是特定實驗條件下的適應水平，它的計算方法來源於H 赫爾森的《適應水平理論》（1964）。此外，還有一些人也提出了冪定律的修正公式，如G.埃克曼提出的公式是 。不同感覺道的交叉匹配法為冪定律的內在一致性提供了經驗證明。如果兩個不同感覺道的量表都遵循冪函式，它們的匹配函式也將是個冪函式，指數等於兩個原始函式指數之比。不同感覺道交叉匹配法的結果為冪定律提供了有力的證明。
心理物理量表的比較
心理物理量來的製作方法有兩種：一是直接的方法，即在實驗者設定的量表值和觀察者的判斷值之間存在直接的對應關係，如數量估計法：二是間接的方法，即量表值和觀察值之間沒有—一對應關係，如分類估計法。如果把這兩種方法分別用於同一組數據，我們可以預期將會得到兩個線性相關的量表，在它們構成的直角坐標系中，會產生一條直線。但是，事實上在實驗過程中我們極難獲得這種理想的相關關係，在分類量表（間接的方法）和比例量表（直接的方法）構成的坐標系中，繪出的通常都是一條向下的凹型曲線，位置介於對數函式和冪函式之間。這一結果表明判斷變數隨刺激值在測驗連續體上由低到高變化而不斷增值。未能得到線性結果的另一個可能的原因是，兩種製作方法的反應範圍或其他因素不同，影響了觀察者的適應水平。
心理物理定律的解釋
用二分法製作感覺等距量表時，研究者向觀察者呈現兩個大小不同的刺激，要求觀察者對與前兩個刺激同在一個刺激連續體上的第三個刺激進行調節，直至第三個刺激在感覺上與前兩個刺激的距離相等。觀察者調整刺激的值取決於兩個標準刺激呈現的方向、順序。如果際準刺激按從大到小的順序呈現，二分法結果的值將大於標準刺激按從小到大的順序呈現測得的值。科索（1971）把這種滯後現象歸因於觀察者的反應傾向或適應水平。
既然量表值受各種非感覺因素（如刺激順序、刺激範圍、反應範圍、標準刺激的值等）的影響，所以對物理量表及由此而來的心理物理定律的解釋就難免不太準確。嚴格地說，心理物理定律與感覺大小並不是一回事，它所涉及的是刺激和相應的判斷反應間的關係，並從中推測出感覺大小來。
“轉換”函式
有些研究者相信心理物理量表反映了感覺神經活動的某些特定方面，他們把心理物理函式看作是一種“轉換”函式，它說明了感覺機制如何把刺激能量變成神經活動。但是，S.S.史蒂文斯在查閱了有關的研究文獻後發現，雖然有些生理反應符合冪函式，但它們的指數常常不等於從心理物理實驗中得到的冪函式指數。從理論的角度來看，“轉換”函式的比喻只會把事惜弄得更複雜，因為這樣一來，心理物理定律涉及的就不止是三個連續體，而是四個：（1）物理刺激；（2）生理反應，（3）感覺反應；（4）判斷反應。如果第三個連續體是不重要的，那么心理物理定律就不用保留主觀大小這個潛在的參考框架。
非線性
不論心理物理理論涉及的連續體究責是三個還是四個，任何兩個鄰近的連續體之間總是存在一個非線性的心理物理量表（遵循對數定律或冪定律）。一些有限的研究結果表明，刺激在感受器發生了指數轉換，感覺信息傳向大腦的途中發生的是線性轉換。不管怎樣，即便神經系統中不存在一個刺激按冪定律轉換的水平，感覺系統作為一個整體仍然遵循冪定律。
另一種可能的情形是，非線性不是邊緣感覺系統的功能，而是在大腦中樞的信息加工過程中呈現出來的。因此，感覺量表實驗中的判斷反應會受到以前學習經驗、刺激、反應方式、實驗程式等因素的影響。1964年，R.R.布希及其同事提出心理物理行為應該被看成是學習過程的最終產物。由此看來，對心理物理定律，可以超出感覺道的特定參數來考慮，使之具有更廣泛的意人。
韋伯定律
韋伯定律是由德國著名的生理學家與心理學家E.H. 韋伯發現，韋伯-費希納定律是表明心理量和物理量之間關係的定律。即感覺的差別閾限隨原來刺激量的變化而變化，而且表現為一定的規律性，用公式來表示，就是△Φ/Φ=C，其中Φ為原刺激量，△Φ為此時的差別閾限，C為常數，又稱為韋柏率。
E.H. 韋伯,德國生理學家和心理學家。1795年6月24日生於維騰貝格,1878年1月26日卒於萊比錫。1815年在萊比錫大學獲博士學位並留校工作，1818年任解剖學和生理學助理教授，1821年任教授。直至1871年才退出教學工作。
韋伯的主要研究在生理學方面，包括循環系統、耳、眼、肝臟，特別是皮膚方面。1834年，他用拉丁文寫了《觸覺論》，詳細報導了皮膚的壓覺、觸覺、溫覺、冷覺、位置覺以及肌覺、痛覺、關節覺等。著名的韋伯定律（見心理物理定律）即發表於此。1846年為R.華格納編的《生理學詞典》寫了著名的《觸覺與一般感覺》一文。
韋伯對心理學有兩大貢獻：一是他最早系統地用實驗證明了閾限的概念，他利用類似圓規的儀器刺激被試的皮膚，逐漸增大圓規角度，直到被試說出他感到的刺激是兩點而不是一點時為止，這就是兩點閾。但他用外周神經纖維簇的“感覺圈”概念加以解釋，此說已無多大意義。二是他提出的韋伯定律。他首先發現重量的最小可覺差，兩重物之間的最小可覺差與標準刺激之比為一常數；後來推廣到研究皮膚上的兩點閾限及線的長短和音的高低，其公式為K=△I/I。式中I為強度；△為強度刺激增加量；△I為差別閾限；K為小於1的常數,稱為韋伯比例。實驗證明韋伯比例僅運用於中等強度的刺激。韋伯在心理學史上的重大作用在於他是發現感覺對於外在刺激物是有相互依存性的第一人，心理物理學便是由此而建立的。
韋伯發現同一刺激差別量必須達到一定比例，才能引起差別感覺。這一比例是個常數，用公式表示：ΔI(差別閾限)/I(標準刺激強度)=k(常數/韋伯分數)，這就是韋伯定律。 為了描述連續意義上心理量與物理量的關係，德國物理學家費希納(1801－1887)在韋伯研究的基礎上，於1860年提出了一個假定：把最小可覺差（連續的差別閾限）作為感覺量的單位，即每增加一個差別閾限，心理量增加一個單位，這樣可推導出如下公式：S = k lg I + C（S為感覺量、K為常數、I為物理量，C是積分常數）……通式： S = k lg I。其含義是感覺量與物理量的對數值成正比。也就是說感覺量的增加落後於物理量的增加，物理量成幾何級數增長，心理量成算術級數增長，這個經驗公式被稱為費希納定律或韋伯-費希納定律。適用於中等強度的刺激。
閾限測量
視覺
如果一個光刺激呈現的時間很短，它要被覺察到必須具有很高的強度水平；但隨著呈現的持續時間的延長，所需的強度水平會很快下降。這個呈現時間（t）和所需強度（I）間的反比例關係證明了時間累積現象的存在，用公式來表示為It=常數，這就是布洛克定律。這個定律適用於刺激持續時間在0.1秒以下的視覺絕對閾限，0.1秒稱為刺激的臨界持續時間，超過這個值，雖然時間累積現象依舊存在，但反比例關係就不再成立了。當刺激持續時間超過大0.5秒時，閾限處所需的刺激強度就與時間無關了，這時，而洛克定律應該寫成△I=常數。由於視網膜對光能的時間累積受臨界時間的限制，因此視刺激閾限的值取決於光能的總量（It）。朋森和羅斯科對反比例定律加以修訂，使之適用於所有的光化學反應，修訂後的公式稱為朋森-羅斯科定律。
1911年，A.布隆代爾和J.雷伊提出一個表示視覺閾限量（It）與刺激呈現時間（t）的函式關係的線性公式It=a+bt，其中a和b是兩個常量。這個公式說明達到閾限所需的光能等於一個常量a加上一個隨時間增加的量（bt）。1920年，H.皮龍在《感覺：其作用、過程和機制》中指出，It並不嚴格是時間的線性函式，而是在開始的階段呈拋物線型，超過時間的臨界值後，才趨於線性。皮龍定律表述為IT=at ，其中n是時間的分數冪指數，對視錐細胞和視桿細胞取不同的值。
在特定的條件下，眼睛還顯示有網膜區域的空間能量累積。根據里科定律，IA=K，說明刺激面積和強度的乘積達到定值，就在中央凹產生一個特定的視覺效累。至於作用於邊緣網膜的刺激，若視角在2°一7°範圍之內，則遵循派博定律I =K。
聽覺
。1976年，J．F.科索及其同事報告，在一定時間限制下，聽覺閾限隨聽刺激呈現時間的延長而下降，但在閾限處的關係卻不像It=C那么簡單，還要取決於測驗樂音的頻率和被試的年齡。某些特定頻率的聲音強度和持續時間呈反比例關係只在100ms以內成立。1951年，J.C.利克利德假定（I一I。）t=C，其中I。是輸入刺激（I）的一部分，代表在聽興奮加工中被轉移出來未結合的部分。
由於聲音的持續時間每下降10倍，聽閾平均上升 8.92分貝，1959年，F.米斯科爾克齊—福多爾提出C=n—log（T。/T），其中n是閾限改變的分貝值；T。是聽系統的調整時間，設定為150 ms；a是脈衝持續時間少於150ms時，每下降10倍的閾限改變值8.92dB；T是脈衝實際的持續時間。把給定的值代入公式，閾限分貝改變的量值即可計算獲得。
其地感覺道
反比例定律涉及的臨界持續時間在其他感覺道也可以看到。味覺的臨界時間隨特定的味刺激而變化，甜刺激大約需2秒；鹹刺激3秒；苦和酸刺激都是3.5秒。至於嗅覺，刺激作用時間超過5秒，時間才不再成為決定閾限大小的重要因素。對於熱刺激，作用時間短於10秒都表現有時間累積；由氣流吹到前額產生的冷反應在1.5秒以內都遵循反比例定律。總之，對所有的感覺道，均勻、連續的刺激，在感覺閾限處都表現有刺激強度和呈現時間吳反比例關係的時間累積現象。
