Psychophysik

Wahrnehmung und
Aufmerksamkeit
Vorlesung im Sommersemester 2009

Teil 3
Einführung in die Psychophysik

Überblick
– Hintergrund und Anfänge der Psychophysik
– Methoden der Psychophysik
– Herstellungsmethode
– Grenzmethode
– Konstanzmethode
– Signalentdeckungstheorie
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Hintergrund und
Anfänge der
Psychophysik
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Psychophysik
Beispiele für Eigenschaften physikalischer Stimuli und zugehörige
Empfindungsqualitäten
•Licht:
Intensität, Amplitude Helligkeit
elektromagnetische Wellenlänge, Frequenz Farbe
• (Sinus-) Töne:
Intensität, Schalldruck, Amplitude Lautheit
Wellenlänge, Frequenz Tonhöhe
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Psychophysik
Abbildung aus Goldstein (1999). Copyright Brooks/Cole.
Untere und obere Absolutschwellen (lower and upper absolute
thresholds): Eben merkliche bzw. nicht mehr merkliche Schwelle
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26.04.2009

Psychophysik
Abbildung aus Goldstein (1999). Copyright Brooks/Cole.
Das Hören
findet im
Bereich
zwischen der
Hörschwelle
und der
Fühlschwelle
statt.
Unterschiedsschwellen: Eben merkliche Unterschiede (JND)
• untere Unterschiedsschwellen (lower difference thresholds)
• obere Unterschiedsschwellen (upper difference thresholds)
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Physikalisches und Phänomenales
Phänomenalismus
Erkenntnistheoretische Position: Der Bereich möglicher
Erkenntnis beschränkt sich auf die wahrgenommenen
Phänomene.
Phänomenologie
Begründer: Edmund Husserl (1859-1938)
Philosophie der Bewusstseinsanalyse
Beschreibung der Phänomene, wie sie sich in
ihrer reinen Gegebenheit dem unvoreingenommenen
Betrachter zeigen.
aus Schwaninger & Minoza, SS 2004
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Physikalisches und Phänomenales
Physikalismus
Psychische Vorgänge sind nicht allgemein fassbar, „private“ (subjektive)
Ereignisse sind nicht nachprüfbar bzw. bestätigungsfähig und daher aus
der Wissenschaft auszuschließen. Festgestellt werden können lediglich
objektivierbare körperliche (physische) Vorgänge.
Behaviorismus
Begründer: John Broadus Watson (1878-1950)
„Der Behaviorismus behauptet, dass das
Bewusstsein weder ein definierbarer noch
ein nützlicher Begriff ist.“
(Watson, 1930, zit. nach Anderson, 1996, S.8)
Nur beobachtbares Verhalten trägt zum Erkenntnisgewinn bei, nicht
Beobachtbares entzieht sich der Erkenntnis und der Objektivierbarkeit.
aus Schwaninger & Minoza, SS 2004
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Psychophysik
= der Zusammenhang zwischen physikalischen Stimuli
und psychologischen Empfindungen
aus Schwaninger & Minoza, SS 2004
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Psychophysik
Wechselwirkungslehre (Descartes) aus Schwaninger & Minoza, SS 2004
Psychisches und Physisches sind substanziell verschieden und
können sich gegenseitig beeinflussen.
Parallelismus (Leibniz)
Psychisches und Physisches sind substanziell verschieden und
verlaufen parallel ohne eine kausale Relation zwischen ihnen.
Zwei-Aspekte-Theorie (Spinoza, Fechner)
Psychisches und Physisches sind zwei Aspekte derselben
Sache, sie erscheinen bloß verschieden.
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Psychophysik
Die Psychophysik untersucht mathematisch!
formulierbare Zusammenhänge zwischen psychischen
und physikalischen Vorgängen.
Ernst Heinrich Weber (1795-1878)
wichtigster Vorläufer
Experimente zur Hautsensibilität
Entdeckung des Webergesetzes
Gustav Theodor Fechner (1801-1877)
Begründer der Psychophysik
Webergesetz, Fechnergesetz
innere und äußere Psychophysik
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Ernst Heinrich Weber
(1795-1878)
Experimente mit Gewichten: Wann merken Vpn einen
Unterschied?
"Unter den günstigsten Umständen nimmt man eine
zwischen zwei Gewichten stattfindende Gewichtsverschiedenheit
noch dann wahr, wenn der Unterschied auch nur 1/30 oder 1/15
des einen Gewichts beträgt…“
„… es kommt hierbei nicht auf die absolute sondern auf die
relative Größe des Gewichtsunterschiedes an. Diese letztere
Bemerkung verdient die Aufmerksamkeit des Psychologen und
Physiologen, denn sie gilt auch von anderen Sinnen."
(E.H. Weber, 1835, S.156)
Abbildung aus Goldstein (1999). Copyright Brooks/Cole.
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Mathematisch formulierbarer Zusammenhang
zwischen Psychischem und Physikalischem
Das Webersche Gesetz (Weber´s Law)
• Die Webersche Konstante: k = JND / S
• Gültigkeit des Weberschen Gesetzes
über verschiedene Sinnesmodalitäten
• Ausgangspunkt ist die Unterschiedsschwelle
JND = just noticeable difference (Schwelle des
eben merklichen Unterschieds zwischen Standardreiz
und Vergleichsreiz)
• Die Größe des eben merklichen Reizunterschied
hängt von der Größe des Standardreizes ab.
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Experiment für Zuhause
Nehmen Sie zwei Streichholzschachteln.
Füllen Sie eine Schachtel mit 10
Streichhölzern, die andere mit 11, 12, 13,
14…etc.
Bitten Sie jemanden, Ihnen zu sagen, ab
welcher Streichholzanzahl sie/er einen
Unterschied fühlt.
Wiederholen Sie die Prozedur, indem Sie
die eine Schachtel mit 20 Streichhölzern
und die andere mit 21, 22, 23, 24… füllen.
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Gustav Theodor Fechner
(1801-1877)
Eigentlicher Begründer der Psychophysik:
– neben der Unterschiedsschwelle wird die Absolutschwelle thematisiert
– Erweiterung der Weberschen Konstante
Anzahl eben
merklicher Unterschiede
5
0
25
20
15
10
(S n+1
− S n
)
S n
= 0.1
0 100 200 300 400 500 600
virtuelle physikalische Skala
(S n+1
− S n
)
S n
= 0.1
Weber-Fechnersches Gesetz
E = k log(S i )
E = Empfindung
k = Webersche Konstante
S i
= Reizintensität
Absolutschwelle
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E = k log(S i )
“Kurz, obwohl recht zu verstehen, wird man also sagen können, die psychische
Intensität ist der Logarithmus der zugehörigen physischen Intensität, schreitet in
arithmetischem Verhältnisse fort, wenn diese in geometrischem.”
(Fechner, Zend-Avesta, 1851, II, S.375)
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Absolutschwellen
© Pearson Studium 2004
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“Unter Psychophysik verstehe ich überhaupt eine Lehre von den
Beziehungen zwischen Körper und Seele, welche auf der Verbindung
des physischen und psychischen Maßes fußt, und sich dadurch in
die Reihe exakter Lehren stellt.”
“Ich unterscheide eine äußere und
eine innere Psychophysik, je nachdem
es sich um die Beziehungen der Seele
zu der körperlichen Außenwelt oder
der körperlichen Innenwelt handelt.”
(Fechner, Das psychische Mass, 1858, S.21)
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Innere Psychophysik
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100 Jahre nach Fechner:
Das Stevenssche Potenzgesetz
E = a I k
E = Empfindung
a = multiplikative Konstante
I = Reizintensität
k = (Webersche) Konstante
Beispiel: Man muss die
Lichtstärke verneunfachen um
die Helligkeit zu verdoppeln.
Fazit: Physisches lässt sich immer exakter „berechnen“.
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Längenschätzung
Linie A = 10
Linie B = ?
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Längenschätzung (2)
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Längenschätzung (2)
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Längenschätzung (2)
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Längenschätzung (2)
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Längenschätzung (2)
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Längenschätzung (2)
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Längenschätzung (3)
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Längenschätzung (3)
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Längenschätzung (3)
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Längenschätzung (3)
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Längenschätzung (3)
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Methoden der
Psychophysik
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Gesetzmäßigkeiten
• Das Webersche Gesetz
• Das Weber-Fechnersche Gesetz
• Steven‘s Potenzfunktion
Schwellen
• untere und obere Absolutschwellen (Reizlimen, kleinste/größte
feststellbare Reizintensität)
• untere und obere Unterschiedsschwellen (Differenzlimen, kleinste
feststellbare Differenz zwischen zwei Reizintensitäten)
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Klassische Verfahren zur Schwellenbestimmung:
• Herstellungsverfahren
(method of adjustment) Methode der mittleren Reizfindung
• Grenzverfahren
(method of limits) Methode der eben-merklichen Unterschiede
• Konstanzverfahren
(method of constant stimuli) Methode der richtigen und falschen
Fälle
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Herstellungsverfahren
Herstellungsverfahren (method of adjustment)
• kontinuierliches Verändern des Reizes, auf- und absteigend, durch
Versuchspersonen oder Versuchsleiter
• Stopp, sobald Schwelle (z. B. Hören oder nicht-mehr-Hören) erreicht wird
• Notieren des Grenzwertes
• mehrmalige Wiederholung des Verfahrens
• Schwellenwert = Mittelwert der Grenzwerte
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Beispiele für Herstellungsverfahren:
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Vor- und Nachteile des Herstellungsverfahrens:
+ einfach in Instruktion und Versuchsaufbau
+ effizient (wenig Trials, wenige Vpn)
– wenig Reizkontrolle als Experimentator
– Response Bias Anfälligkeit
(Tendenz, in einen „Antworttrott“ zu verfallen)
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Grenzverfahren
Grenzverfahren (method of limits)
• Versuchsleiter präsentiert einzelne Reize in auf- oder absteigender
Reihenfolge
• Versuchsperson reagiert auf jeden Reiz mit „Ja“ oder „Nein“
• Bestimmung der Grenze als Mittelwert der beiden Werte,
zwischen denen die Antwort von ja nach nein oder umgekehrt wechselt
• mehrmalige Wiederholung des Verfahrens
• Schwellenwert = Mittelwert der Grenzwerte
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Grenzverfahren
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26.04.2009

Grenzverfahren
Versuchsdurchgang
Reizintensität 1 2 3 4 5 6 7 8
105 J J
104 J J J J
103 J J J J
102 J J J J
101 J J J J J
100 J J J J J J J
99 J N J N J J J J
98 N N J N N N N J
97 N N N N N
96 N N N N
95 N N N N
Grenzwerte 98.5 99.5 97.5 99.5 98.5 98.5 98.5 97.5
Schwellenwert = Mittelwert der Grenzwerte = 98.5
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Grenzverfahren
Vor- und Nachteile des Grenzverfahrens:
+ Effizienz (wenig Trials, wenige Vpn)
– Aufwendiger Versuchsaufbau
– Adaptation (Anpassung), Habituation (Gewöhnung),
Erwartungsfehler
Ausweg: Kurze Trials, Startpunkt variieren
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26.04.2009

Konstanzverfahren
Konstanzverfahren (method of constant stimuli)
• Der Versuchsleiter präsentiert viele einzelne unterschiedliche
Reize in zufälliger Reihenfolge.
• Die Versuchsperson reagiert auf jeden Reiz mit „Ja“ oder
„Nein“.
• Die präsentierten Reize streuen in Stufen um die vermutete
Schwelle herum.
• Jede Reizstufe wird mehrmals dargeboten (mind. 10x).
• Für jede Reizstufe wird der Prozentsatz der Ja-Antworten bestimmt.
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26.04.2009

Konstanzverfahren
Z.B. zur Bestimmung der absoluten Seh- oder Hörschwelle:
1. VL bestimmt Reizintensitäten (kleinster Reiz fast nie wahrnehmbar,
größter Reiz fast immer wahrnehmbar).
2. Jede Reizintensität wird mehrmals dargeboten (>100), randomisiert,
ausbalanciert
3. Häufigkeiten (%-Werte) –> Psychometrische Funktion
4. Schwelle: 50%–Abschätzen oder mit Z-Werten berechnen (stat.
Umrechnungsverfahren)
Schwellenwert =
Stufe mit
50% Ja-Antworten
Abbildung aus Goldstein (1999). Copyright Brooks/Cole.
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Konstanzverfahren
Bestimmung der
Unterschiedsschwelle:
PSE = point of
subjective equality
(= 50%-Wert)
Obere und untere
Unterschiedsschwelle
(= 25% bzw. 75%)
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Vergleich der klassischen Methoden
aus Schwaninger & Minoza, SS 2004
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Experiment
Bitte notieren Sie, ob die beiden
Linien, die Ihnen gleich präsentiert
werden, gleich oder verschieden sind!
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3 mm
1 mm
3 mm
1mm
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26.04.2009

Signal-
Entdeckungstheorie
50
Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Signal-Entdeckungstheorie
(Signal Detection Theory, SDT)
Gibt es überhaupt eine eindeutig identifizierbare Schwelle?
Z.B. die Bestimmung der unteren Absolutschwelle für das
Hören eines Tons bei zwei Personen.
Abbildung aus Goldstein (1999). Copyright Brooks/Cole.
Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Signal-Entdeckungstheorie
(Signal Detection Theory, SDT)
Mögliche Fälle in einem Experiment zur Schwellenbestimmung
• z. B. Bestimmung der unteren Absolutschwelle beim Hören:
„Haben Sie den Ton gehört?“
Die Antworten hängen immer von zwei Faktoren ab:
Sensitivität (sensitivity) = Empfindsamkeit der
betreffenden Person (je älter um so weniger empfindsam?!)
Entscheidungskriterium (decision criterion)
(es gibt Ja-Sager und Nein-Sager)
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26.04.2009

Signalentdeckungstheorie
Hintergrund Signal-Rausch-Abstand technischer
Kommunikationssysteme:
Bei jeder (Wahrnehmungs–) Aufgabe (auch Entdeckungs–,
Entscheidungsaufgabe) kommt es darauf an, ein Signal vom Rauschen
zu trennen!
Man hat es also mit der Unterscheidung zu tun, ob nur „Rauschen“
vorliegt oder „Signal + Rauschen“.
Die Leistungen von Personen unterscheiden sich danach, ob sie
– ein konservatives Entscheidungskriterium (ß, c) anlegen oder nicht
– wie gut sie das Signal vom Rauschen trennen können
(Sensitivitätskriterium d')
Die Signalentdeckungstheorie erlaubt die unabhängige Schätzung von d'
und ß!
(⇒ Sensitivität ist nicht „sensorisch“, hier Wiedererkennung, d.h. Gedächtnis!)
26.04.2009

Signalentdeckungstheorie
aus Müsseler, 2002, S. 45
Das Vierfelderschema einer Entdeckungs- bzw. Entscheidungsaufgabe
Ein Beobachter hat z.B.
60% Treffer und 20%
falsche Alarme produziert!
80% = Ja-Tendenz
60% 20%
40% 80%
100% 100%
120% = Nein-Tendenz
Ein Beobachter hat eine
„Nein“–Tendenz!
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Signalentdeckungstheorie
Ein Beobachter hat z.B.
80% Treffer und 40%
falsche Alarme produziert!
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80% 40%
20% 60%
100% 100%
aus Müsseler, 2002, S. 45
Dr. Marianne Wilken M.A.
120% = Ja-Tendenz
80% = Nein-Tendenz
Ein Beobachter hat eine
„Ja“–Tendenz!
26.04.2009

Signalentdeckungstheorie
Ein Beobachter hat z.B.
80% Treffer und 40%
falsche Alarme produziert!
Gegeben: Normalverteilung
⇒ Man kann in der
standardisierten
Normalverteilung den Wert
von c bestimmen und die
Differenz der Mittelwerte d‘!!
Evidenz für die subjektive Wahrnehmung eines bestimmten Ereignisses, z.B. Ton
d‘ = 0 ⇒ keine Unterscheidung
d‘ > 0 ⇒ Unterscheidung
c > 0 ⇒ Tendenz zu „nein“
c < 0 ⇒ Tendenz zu „ja“
aus Müsseler, 2002, S. 45
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Anwendungen der
Signalentdeckungstheorie
z. B. Beurteilung von Augenzeugen
Problem: Man will möglichst keinen
response bias haben (c = 0, z.B. keine „sozial erwünschten“ Antworten)!!
(d‘ ist zwar unabhängig von c, für den Einzelfall hilft das aber nicht!!)
Bisweilen provoziert man aber durch die Art der Fragestellung einen
Response Bias:
Haben Sie eine dieser Person vorher gesehen und –wenn ja– welche ist
es?
Die erste Teilfrage wird mit einer Tendenz zu „Ja“ beantwortet ⇒
dann ist Identifizierung wahrscheinlicher!
Ausweg: Informiere den Augenzeuge darüber, dass kein Kandidat
dabei sein könnte! (Ellison & Buckout, 1981)
26.04.2009

Zusammenfassung
Wir können nicht das ganze Spektrum der
physikalischen Reize wahrnehmen.
Unser Wahrnehmungssystem verfügt über
eine Reizschwelle, das ist die
Absolutschwelle.
Daneben betrachtet die Psychophysik
Unterschiedsschwellen: Ab wann wird ein
Unterschied zwischen zwei Reizen
wahrgenommen?
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Zusammenfassung
Fechner sieht Psychisches und
Physikalisches an als zwei Aspekte
derselben Sache, die verschieden
erscheinen.
Weber entdeckte, dass die
Unterschiedsschwelle von der relativen
Größe des Unterschieds abhängt (Weber-
Konstante).
Fechner ergänzte die Unterschiedsschwelle
um die Absolutschwelle und entdeckte
einen logarithmischen Zusammenhang.
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Zusammenfassung
Klassische Verfahren zur
Schwellenbestimmung sind das
Herstellungs- (Methode der mittleren
Reizfindung), das Grenz- (Methode
der eben merklichen Unterschiede)
und das Konstanzverfahren (Methode
der richtigen und falschen Fälle).
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Zusammenfassung
Die Signalentdeckungstheorie
untersucht Antworttendenzen bei
Entdeckungs- oder
Entscheidungsaufgaben. Sensitivität
und Entscheidungskriterium sind zwei
berechenbare, die Antworten von VP
bestimmende Faktoren.
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Dr. Marianne Wilken M.A.
26.04.2009

Herzlichen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!