Psychophysik - Hochschule Harz...13.09.2014 2 Anliegen der Psychophysik • Die Hauptanliegen der...

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13.09.2014 1 Psychophysik Die Messung von Empfindungen Wahrnehmung quantifizieren? Bis zum Anfang des 19. Jahrhunderts war man noch davon überzeugt, daß sich subjektive Wahrnehmungen nicht messen ließen. Dem Leipziger Physiker und Philosophen Gustav Theodor Fechner gelang es jedoch, Gesetzmäßigkeiten zwischen physischer Erscheinung eines Reizes und psychi- schem Empfinden zu beschreiben. Die Arbeiten von Fechner begründeten die Psychophysik.

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    Psychophysik

    Die Messung von Empfindungen

    Wahrnehmung quantifizieren?

    • Bis zum Anfang des 19. Jahrhunderts war man noch davon überzeugt, daß sich subjektive Wahrnehmungen nicht messen ließen.

    • Dem Leipziger Physiker und PhilosophenGustav Theodor Fechner gelang es jedoch, Gesetzmäßigkeiten zwischen physischer Erscheinung eines Reizes und psychi-schem Empfinden zu beschreiben.

    • Die Arbeiten von Fechner begründetendie Psychophysik.

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    Anliegen der Psychophysik

    • Die Hauptanliegen der Psychophysik liegen in der Bestimmung von Wahrnehmungsschwellen,

    besonders in der Beantwortung von zwei Fragen:

    1. Wie stark muß ein Reiz physikalisch sein, damit wir ihn bemerken?

    Die Antwort hierauf gilt als die absolute Reizschwelle.

    2. Wie stark muß man einen Reiz physikalisch verändern, damit ich die Veränderung bemerke.

    Die Antwort hierauf gilt als die Unterschiedsschwelle.

    Klassische Schwellentheorie

    • Ein Reiz muß eine gewisse Mindeststärke haben, damit er überhaupt bemerkt wird.

    • Sobald diese Stärke überschritten ist, wird der Reiz auf jeden Fall wahrgenommen.

    • Nach dieser Theorie hat die Beziehung zwischen physika-lischer Reizstärkeund der Wahrschein-lichkeit, daß der Reiz bemerkt wird, eine Stufenform:

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    Korrektur der Klassischen Schwellentheorie

    • Sehr viel häufiger geht aber das Nicht-Entdecken graduell und nicht etwa abrupt ins Entdecken über:

    Es gibt interindividuelleSchwankungen: Verschie-dene Personen entdeckenden den Reiz bei unter-schiedlichen Stärken.

    Es gibt aber auch intra-individuelle Schwankungen: Die gleiche Person entdecktdie gleiche Stärke beim einenMal nicht, beim anderen schon.

    Korrektur der Klassischen Schwellentheorie

    Es stellt sich die Frage:Bei welcher Reizinten-sität liegt denn jetzt dieEntdeckungsschwelle?

    Üblicherweise definiertman die Intensität, diemit einer Wahrscheinlich-keit von 50 % entdeckt wird, als absolute Schwelle.

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    Methoden der Schwellenbestimmung

    • Fechner verwendete drei unterschiedliche Methoden, um die absolute Reizschwelle zu bestimmen:

    • Grenzmethode

    • Herstellungsmethode

    • Konstanzmethode

    • Diese Methoden sind bis heute gebräuchlich. Fechner macht eine Pause

    Grenzmethode(auch Methode der eben merklichen Unterschiede)

    • Verschiedene Reize werden in aufsteigender oder absteigender Stärke präsentiert.

    • Die Versuchsperson gibt an, ab welcher Stärke sie den Reiz wahrnimmt.

    • Um Perseverationstendenzen entgegenzuwirken (die VP antwortet tendenziell eher das, was sie zuvor schon gesagt hat), werden die Reize sowohl in auf- als auch in absteigender Reihenfolge dargeboten.

    Auf diese Weise gleichen sich „Ja-Sage“ und „Nein-Sage-Tendenzen“ aus.

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    Ein Beispiel mit acht Durchgängen

    Beim ersten Durchgangwird die Reizstärke suk-zessive vermindert.

    Von der Reizstärke105 bis 99 bemerktdie VP noch etwas.Die Stärke von 98bemerkt sie nicht mehr.

    Der Wert, wo die Re-aktion der VP von Be-merken zu Nicht-Be-merken übergeht, be-trägt 98,5.

    Beim zweiten Durchgangwird die Reizstärke suk-zessive verstärkt.

    Von der Reizstärke95 bis 99 bemerktdie VP noch nichts.Erst die Stärke von 100bemerkt sie.

    Hier liegt der Über-gangswert bei 99,5.

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    Herstellungsmethode(auch Methode der mittleren Fehler)

    • Der Reiz wird kontinuierlich verändert (entweder verstärkt oder vermindert).

    • Die Versuchsperson gibt an, wann sie ihn wahrnimmt, bzw. nicht mehr bemerkt.

    • Hierbei kann die Versuchsperson auch aktiv werden, indem sie selbst die Stärke einstellt, wo der Übergang stattfindet.

    • Auch hier werden mehrere Durchgänge gemittelt.

    Konstanzmethode(auch Methode der richtigen und falschen Fälle)

    • Wie bei der Grenzmethode werden auch hier einzelne Reize dargeboten.

    • Allerdings variiert die Stärke dieser Reize zufällig.

    • Man wählt als stärksten Reiz eine Stärke, die auf jeden Fall über und als schwächsten eine, die auf jeden Fall unter der Schwelle liegt.

    • Die Reihenfolge wird dann aber durch den Zufall bestimmt, und die VP muß in jedem Fall sagen, ob sie etwas wahrgenommen hat oder nicht.

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    Im Vergleich

    • Die Konstanzmethode ist die genaueste, aber auch die aufwendigste.

    • Die Herstellungsmethode ist am wenigsten genau, läßt sich aber sehr schnell durchführen.

    Noch ein Wort zu Antworttendenzen

    • Wenn die Versuchsperson sagt, sie habe einen Reiz bemerkt, kann man sicher sein, daß sie ihn wirklich bemerkt hat?

    • Immerhin: Sie wußte ja, daß man ihr jetzt Reize darbietet. Da hätte sie ja schon recht, wenn sie nur aufs Geratewohl sagt, sie habe etwas bemerkt.

    • In der Tat müssen solche Verzerrungen irgendwie aufgefangen werden, wie Fechner ja auch andeutungsweise getan hat.

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    Noch ein Wort zu Antworttendenzen

    • Man kann drei verschiedene Gründe für eine Verzerrung unterscheiden:

    • Wunsch

    • Erwartung

    • Gewohnheit.

    Wunsch

    • Manchmal ist es uns lieber, wir hätten nichts gesehen.

    • In anderen Situationen paßt uns die Entdeckung des Reizes gut in den Kram.

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    Wunsch

    „Erkennen Sie den Mann, der die Briefmarkensammlung gestohlen hat?“

    Wenn man Angst hat, selbst in die Sache hineingezogen zu werden,erkennt man den Mann weit schlechter als wenn es für die Identifi-

    kation des Täters eine Belohnung gibt.

    Erwartung

    • Wenn wir wissen, daß ein bestimmter Reiz zu erwarten ist, entdecken wir ihn schneller als wenn er unerwartet - etwa in einem völlig fremden Kontext - auftritt.

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    In einem U-Boot im Kriegs-einsatz wird ein schwachesSignal im Sonar vermutlichschneller entdeckt als...

    ...in einem U-Boot, das keine feindlichen Angriffe erwartet.

    Gewohnheit

    • Manche Menschen tendieren dazu, eher zuzustimmen, wenn sie sich unsicher sind,

    andere neigen in dieser Situation eher zum „Nein-Sagen“.

    • „Ja-Sager“ würden auch dann einen Reiz angeben, wenn gar keiner geboten wurde, „Nein-Sager“ übersehen viele Reize, die tatsächlich da waren.

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    Signalentdeckung

    • Mit „Fangfragen“ kann man versuchen, diese Antworttendenzen in den Griff zu bekommen.

    • Auch Fechners Methode der auf- und absteigenden Reizintensitäten ist hierbei geeignet.

    • Gleichwohl ist es sinnvoll, auf einen umfassenderen Ansatz zurückzugreifen, um das Problem der Antworttendenzen zu kontrollieren.

    • Diesen Ansatz bietet die Signalentdeckungstheorie.

    Die Unterschiedsschwelle

    • Zunächst ein Versuch:

    • Bitte vergleichen Sie jeweils rechten und linken Stab und entscheiden Sie, ob einer von beiden länger ist, oder ob sie gleich lang sind.

    A

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    Die Unterschiedsschwelle

    • Zunächst ein Versuch:

    • Bitte vergleichen Sie jeweils rechten und linken Stab und entscheiden Sie, ob einer von beiden länger ist, oder ob sie gleich lang sind.

    A

    B

    C

    D

    Die Unterschiedsschwelle

    • Zunächst ein Versuch:

    • Bitte vergleichen Sie jeweils rechten und linken Stab und entscheiden Sie, ob einer von beiden länger ist, oder ob sie gleich lang sind.

    A

    B

    C

    D

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    Die Unterschiedsschwelle

    • Zunächst ein Versuch:

    • Bitte vergleichen Sie jeweils rechten und linken Stab und entscheiden Sie, ob einer von beiden länger ist, oder ob sie gleich lang sind.

    A

    B

    C

    D

    Tatsächlich ist immer die linke Linie länger als die rechte,allerdings ist das nicht leicht zu erkennen.

    Die Unterschiedsschwelle

    • Wenn der Unterschied zwischen zwei Reizen groß ist, erkennen wir ihn sofort. Ist er klein, dann erkennen wir den Unterschied nicht so leicht.

    • Ernst Heinrich Weber (1795 - 1878) hat - kurz vor Fechners Arbeiten zur absoluten Schwelle - entdeckt, daß die Größe des eben noch merklichen Unterschieds von der Vergleichsgröße abhängt:

    • Zum Beispiel können Sie zwischen einer 10 cm langen Linie und einer 11 cm langen gerade noch bemerken,

    den Unterschied zwischen einer 110 cm langen und einer 111 cm langen jedoch nicht.

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    Die Unterschiedsschwelle

    • Wenn also die Größe wächst, dann wächst gleichzeitig auch die Größe des eben noch merklichen Unterschieds.

    • Weber zeigte nun, daß das Verhältnis zwischen dem eben noch merklichen Unterschied und der Stärke des Ausgangsreizes konstant ist.

    • Dieses Verhältnis wurde von Fechner als Weberscher Quotient bezeichnet.

    • In der Formel bezeichnet ∆S den eben merk-lichen Unterschied, S bezeichnet die Stärkedes Ausgangsreizes und K ist die Weber-sche Konstante.

    K S∆S

    =

    Die Unterschiedsschwelle

    • Zum Beispiel: Einen Längenzuwachs erkennt man erst dann, wenn der neue Reiz um wenigstens zehn Prozent länger ist als der alte.

    (Der Webersche Quotient beträgt also .10)

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    Das Webersche GesetzE

    ben

    mer

    klic

    her

    Unt

    ersc

    hied

    in

    mm

    0,1 l0

    ∆l=

    Standardlänge des Stabes (l0) in mm

    Das Webersche Gesetz

    • Man muß den Standardreiz immer um einen konstanten Prozentwert seiner Intensität erhöhen, um einen Unterschied festzustellen.

    • Dieser Prozentsatz beträgt nicht, wie in unserem Beispiel, immer 10%, bei Gewichten beträgt er zum Beispiel 5%.

    • Es ändert sich lediglich die Konstante in ihrer Ausprägung, die Gesetzmäßigkeit bleibt.

    • Einschränkung: In der Nähe der absoluten Schwelle sind die Unterschiede zwischen einzelnen Personen zu groß. Konstant wird der Webersche Quotient erst, wenn die absolute Schwelle definitiv überschritten ist.

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    Meilensteine der empirischen Psychologie

    • Die Arbeiten von Weber und vor allem Fechner zählen zu den wichtigsten Beiträgen zur wissenschaftlichen Psychologie überhaupt:

    • Fechner zeigte, was bis dahin als unmöglich galt: Daß das Psychische quantitativ erfaßt werden kann.

    • Die Methoden zur Schwellenbestimmung werden heute noch verwendet.

    Messung überschwelliger Reizintensitäten

    • Gehen wir davon aus, daß die Wahrnehmungsschwellen überschritten sind: Wie hängen dann Reizstärke und subjektive Empfindung zusammen?

    • Zum Beispiel: Wenn ich die Lautstärke an meiner Stereo-anlage verdoppele, werde ich das auch als doppelt so laut empfinden?

    • Fechner ging noch davon aus, daß die Unterschieds-schwellen auch gleichzeitig die psychologische Einheit für das subjektive Empfinden sind.

    • Nach dieser Idee hätte der Zusammenhang zwischen der Reiz- und der Empfindungsstärke immer die folgende Form:

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    Beziehung zwischen Empfindung und Reizintensität

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    0 10 20 30 40 50 60

    Menge an Teelöffeln Salz

    sub

    jek

    tive E

    mp

    fin

    du

    ng

    In ein Wasserglaswird Salz gefüllt.

    Wie viel Salz brauchtman, damit wir die neueKonzentration als „salziger“erleben als die vorige?

    Der Webersche Quotientfür Salz ist 1/3.

    Messung überschwelliger Reizintensitäten

    • Diese Form wird beschrieben durch die FormelW = K log SHierbei bedeutetW = Empfundene StärkeK = eine reizspezifische KonstanteS = physikalische Stärke des Reizes

    • Diese Funktion ist aber nur eine von mehreren möglichen.

    • Sie gilt nur für manche Reizdimensionen, andere Reize folgen anderen Funktionen.

    • Den tatsächlichen Zusammenhang konnte erst S.S. Stevens 1957 exakt beschreiben.

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    Methode der direkten Größenschätzung

    • Stevens verwendete eine andere Methode als Fechner, die Methode der direkten Größenschätzung:

    • Der Versuchsleiter präsentiert dem Beobachter zunächst einen Standardreiz (z.B. eine Standardlautstärke) und weist diesem einen Wert (z.B. 10) zu.

    • Dann werden Stimuli mit anderen Intensitäten dargeboten.

    • Die Versuchsperson soll diesen Stimuli entsprechend ihrer subjektiv empfunden Stärke eine Zahl zuweisen.

    • Wenn sie z.B. das Gefühl hat, der Ton sei jetzt nur noch halb so laut, dann muß sie eine 5 vergeben.

    Ergebnis für einen Lichtreiz

    Em

    pfun

    dene

    Hel

    ligk

    eit

    Lichtintensität

    Die Mittelwerte aller geteste-ten Personen ergeben, daß sehr hohe Reizintensität er-forderlich ist, um das Hellig-keitsempfinden zu steigern.

    Die 9-fache Intensität des Lichtes führt zu einer Ver-dopplung des Helligkeits-empfindens.

    Diese Tatsache wird alsVerdichtung der Antwort-

    dimensionen bezeichnet

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    Ergebnis für einen LichtreizE

    mpf

    unde

    ne H

    elli

    gkei

    t

    Lichtintensität

    Die Mittelwerte aller geteste-ten Personen ergeben, daß sehr hohe Reizintensität er-forderlich ist, um das Hellig-keitsempfinden zu steigern.

    Die 9-fache Intensität des Lichtes führt zu einer Ver-dopplung des Helligkeits-empfindens.

    Diese Tatsache wird alsVerdichtung der Antwort-

    dimensionen bezeichnet

    Diese Funktion entsprichtdoch der Form, die

    ich selbst unterstellt habe.

    Richtig, aber warteab, wie es bei an-deren Reizdimen-sionen aussieht:

    Ergebnis für die Länge einer Linie

    Em

    pfun

    dene

    Län

    ge

    Tatsächliche Länge

    Soll der Betrachter nach dieser Vorgehensweise die Länge einer Linie be-stimmen, führt eine Ver-dopplung der Linie auch zu einer Verdopplung desEmpfindens. Man spricht von einer nor-malen Antwortdimension. Im Diagramm bildet sich eine lineare Funktion

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    Ergebnis für die Stärke eines Stromimpulses

    Wird der Proband einem Stromimpuls ausgesetzt, so genügen bereits kleine Ände-rungen in der Intensität, umstarke Änderungen im Schmerzempfinden zu be-wirken. Dieser Zustand wird als Spreizung der Antwort-

    dimensionen bezeichnet. Die daraus gewonnenen Da-ten lassen sich im Diagrammals Potenzfunktion darstellen

    Sch

    mer

    zem

    pfin

    dung

    Tatsächliche Stärke des Stroms

    Was ist das Gemeinsame an diesen Kurven?

    Offenbar ist die Empfindungsstärkeexponentiell abhängig von der Reizintensität.

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    Das Stevenssche Potenzgesetz

    In allgemeiner Form gilt: W = KSn

    Hierbei bedeutet W = Empfundene StärkeK = eine reizspezifische KonstanteS = physikalische Stärke des Reizesn = ein reizspezifischer Exponent.

    Was man aus Wikipedia lernen kann…

    n = 1 : Proportionalität von Reizgröße und Rezeptorantwortn > 1 : Reaktionsamplitude wächst überproportional (Thermorezeptor)n < 1 : abnehmender Reaktionszuwachs (Lautheit)

    Beispiele für Exponenten n:

    3,5 Elektrische Schocks (60 Hz durch die Finger)1,45 Schwere von Gewichten1,0 Temperatur (Kälte am Arm)0,85 Vibration (am Finger)0,8 Geschmack (Saccharin)0,6 Lautheit (bezogen auf Schalldruck)0,33 Helligkeit bei dunkeladaptiertem Auge0,3 Lautheit (bezogen auf Schallintensität) http://de.wikipedia.org/wiki/

    Stevenssche_Potenzfunktion

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    Was bedeutet das für unser Erleben?

    • Vermutlich ist die unterschiedliche Empfindlichkeit für unterschiedliche Reize sehr sinnvoll:

    • Zwar bemerken wir die Variabilität in der Helligkeit nur sehr schwach,

    aber die tatsächlich in der Natur vorkommenden Kontraste würden uns enorm überfordern, ohne daß sie für uns von Nutzen wären.

    • Zum Beispiel: An einem sonnigen Tag verändert sich das Intensitätsspektrum des Lichtes von 1 bis über 1000.

    • Diese Bandbreite von Veränderungen bemerken wir deutlich weniger intensiv (allerdings nicht unsere Kameras...)

    Was bedeutet das für unser Erleben?

    • Ein Schmerzreiz, wie etwa ein Stromschlag dagegen sollte sehr genau bemerkt werden, damit man etwas dagegen tun, bzw. davor fliehen kann.

    • Daher werden Veränderungen in diesem Reiz stärker wahrgenommen als sie tatsächlich sind.

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    Literatur

    Goldstein, E. B. (1997). Wahrnehmungspsychologie. Eine

    Einführung. Heidelberg: Spektrum.