Д.Н. Узнадзе Общая психология. Закон Вебера – Фехнера.

История экспериментальной психологии начинается с того времени, когда физиолог Вебер поставил вопрос о соотношении между ощущением и раздражением, то есть между психическим и физическим, с точки зрения их интенсивности. В последующем опыты Вебера продолжил физик Фехнер, окончательно заложив тем самым основы той части психологии, которая известна под названием «психофизики».

Так, что же выяснилось о взаимосвязи между ощущением и раздражением с точки зрения их интенсивности?

Во-первых, окончательно подтвердились наблюдения, свидетельствующие о том, что человек ощущает отнюдь не любое изменение раздражения, а чувствует лишь раздражение относительно большой интенсивности. Во-вторых, в результате точных исследований был найден закон, лежащий в основе соотношения между интенсивностями раздражения и ощущения.

Для понимания этого закона особенно важным является понятие так называемого «порога», установленное в процессе психофизических исследований.

Выяснилось, что интенсивность раздражения должна достигнуть определенного уровня с тем, чтобы мы хоть как-то почувствовали его воздействие . Уровень раздражения, дающий такое едва заметное ощущение, называется «нижним порогом» ощущения. Однако существует и такой уровень интенсивности раздражения, после увеличения которого интенсивность ощущения уже не усиливается. Этот уровень называется «верхним порогом» ощущения. Воздействие раздражения мы чувствуем только в интервале между этими порогами, поэтому их принято называть и «внешними порогами» ощущения.

Примечательно, что полного параллелизма между интенсивностями ощущения и раздражения не существует и в межпороговом интервале интенсивностей. Например, беря в руки книгу, мы, разумеется, чувствуем ее вес. Следовательно, в данном случае интенсивность ее веса находится в промежутке между нижним и вер­хним порогами. А теперь заложим в книгу лист бумаги; физически вес книги уве­личится, то есть уровень интенсивности раздражения повысится. Однако, взяв книгу в руки, мы это изменение ее веса не почувствуем. Увеличение веса должно достиг­нуть определенного уровня, чтобы мы могли это как-то заметить. Величина прироста раздражения, необходимого для получения этого едва заметного различия между ощущениями, называется «порогом различения». Раздражение, по интенсивности превышающее данную величину, называется «запороговым», а раздражение с меньшей интенсивностью - «допороговым». Уровень порога различения (высокий или низкий) зависит от чувствительности к различению: чем выше чувствительность к различению, тем ниже порог различения.

Вебер первым обратил внимание (1834) на то, что порог различения бывает двояким - абсолютным и релятивным и что очень важно отличать их друг от друга. Абсолютным порогом различения называется прирост интенсивности раздражения, необходимый для достижения порога различения. Например, если для того, чтобы почувствовать едва заметное изменение 2000-граммового веса, к нему необходимо добавить 200 грамм, и тогда эта величина представляет собой абсолютный порог ощущения. Показатель абсолютного порога не является постоянной величиной и зависит от веса основного раздражителя. Например, если к основному раздражителю весом в 2000 грамм следует добавить 200 грамм, то в случае 4000-граммового раздражителя 200 грамм уже недостаточно - к нему нужно прибавить больше.

Если эту же величину (в нашем примере - 200 грамм) выразить не в твердых физических единицах измерения (в нашем примере - граммах), а числом, выражающим отношение между добавочным раздражением и основным раздражением, то получим релятивный порог различения (в нашем примере вес основного раздражителя составлял 2000 грамм, а добавочного - 200 грамм; отношение между ними составляет 200/2000 = 0,1. Следовательно, релятивный порог равен 0,1). Когда Вебер вычислил релятивный порог различения для различных случаев основного раздражения, выяснилось, что этот порог представляет собой константную величину. В области модальности веса он равен 0,1. Это означает, что для того, чтобы почувствовать едва заметное изменение веса, его нужно увеличить или уменьшить на одну десятую часть.

Именно в этом заключается известный основной психофизический закон Вебера, сыгравший столь значительную роль в истории психологии. Его формула очень проста и выражается следующим образом:

dг/г = соns, гдеdr- величина дополнительного раздражения, а г - величина основного раздражения.

После опубликования Вебером формулы своего закона было проведено мно­жество экспериментальных исследований с целью установления величины релятивного порога различения во всех модальностях ощущения. Фехнер дал закону Вебера точное математическое выражение: для того, чтобы интенсивность ощущения росла в математической прогрессии, интенсивность раздражения должна расти в геометрической прогрессии. Более короткая математическая формула данного положения выглядит следующим образом: Е = 1оgК, где Е - интенсивность ощущения, К - интенсивность раздражения.

Последующие интенсивные исследования подтвердили, что закон Вебера- Фехнера имеет приблизительное значение - он действителен лишь в определенных пределах. В этих пределах величина порога различения для разных модальностей ока­залась следующей:

Ошибка Фехнера главным образом заключалась в том, что он счел возможным точное измерение интенсивности ощущения, приняв за единицу измерения так называемую «едва заметную разницу между интенсивностями ощущения». Экспериментальное изучение вопроса не подтвердило правильности его подхода.

Задачи психофизики

Перцептивный образ – стимульные переменные среды; реакция организма (в том числе на уровне сознания)

Тербования к теории:

Эксперементальная проверка

Объяснение новых данных

Предсказывание новых фактов

Должна быть частью общей психологической теории

Примеры психофизических исследований (законы смешения цветов, локализация звуков в пространстве, восприятие запахов)

Хрест: (Р.Л.Грегори. Восприятие цвета.)

Начало исслед. цветового зрения – работа Ньютона «Оптика»,1692г. Ньютон показал, что белый свет состоит из всех цветов спектра; каждому цвету соответст-т определенная частота световой волны…

Юнг: Цвет- это ощущение. Существует 3 первичных цвета. Ограниченное число рецепторов сетчатки, воспринимающие основные цвета – красный, желтый, синий .

Если сущ-ют рецепторы, чувствительные к каждому отдельному цвету, тогда их было бы по крайней мере 200 различных типов. Однако это невозможно, мы видим также хорошо в окрашенном свете, как и в белом. Число дейст-их рецепторов не может очень сильно сокращаться при монохроматическом свете, след-но, не может сущ. более чем несколько типов цветочувствительных рецепторов.

Два звука нельзя смешать так, чтобы получить отличный от них третий звук, но два цвета дают третий, в котором эти составные части уже не видны. Составные звуки слышны как аккорд и м/б выделены порознь, во всяком случае музыкантом, чего нельзя сделать в отношении света.

Зеленый цвет – желтый и синий, минут те цвета, которые поглощаются пигментом глаз.

Желтый- комбинация цветов красный + зеленый, по Юнгу, не сущ-ют специального типа рецепторов, чувствительных к желтым световым лучам, а имеется 2 типа рецепторов, чувст-ых соответственно к красным и зеленым лучам, совместная работа которых дает ощущение желтого.

Теория Юнга – Гельмгольца сущ 3 типа цветочувстительных рецепторов (колбочек), кот отвечают соответственно на красный, зеленый и синий (или фиолетовый) цвета, а ощущения всех остальных цветов спектра возникают при смешивании сигналов этих трех рецепторных систем… На концах спектрах мы видим – при изменении длины световой волны – изменения в яркости, но не в цвете.

Лэнд: повторил опыты Юнга. Невозможно получит любой цвет, который доступен нашему восприятию (коричневый, цвета металлов – серебро, золото). След-но, сущ. Нечто сверх трех цветов. Для глаза белый цвет – это не специальное смешение цветов, а общее осветление.

Распространенное нарушение цветового зрения – неумение различать красное и зеленое. Работы Юнга применимы к большинству людей, но не к искл. случаям. Цветовая аномалия рассматривается как уменьшение чувствительности одной или более цветовых систем сетчатки вследствие частичной утраты фотопигмента.

ЗАКОН ВЕБЕРА‑ФЕХНЕРА - логарифмическая зависимость силы ощущения Е от физической интенсивности раздражителя Р: Е = к log P + с, где k и с - некие постоянные, определяемые данной сенсорной системой. Зависимость была выведена немецким психологом и физиологом Г. Т. Фехнером на основе закона Бугера - Вебера и дополнительного предположения о субъективном равенстве едва заметных различий ощущений. Эмпирические исследования подтверждают эту зависимость лишь для средней части диапазона воспринимаемых значений раздражителя. Закону Вебера - Фехнера обычно противопоставляется закон Стивенса, .согласно коему эта зависимость носит степенной, а не логарифмический характер.

(Головин С.Ю. Словарь практического психолога - Минск, 1998 г.)

ЗАКОН ВЕБЕРА (или закон Бугера-Вебера; англ. Weber ‘ s law ) - один из законов классической психофизики , утверждающий постоянство относительного дифференциального порога (во всем сенсорном диапазоне варьируемого свойства стимула).

В 1729 г. фр. физик, «отец» фотометрии, Пьер Бугер (1698-1758), исследуя способность человека различать величины физической яркости (или освещенности предмета), установил, что дифференциальный порог для яркости - минимальный прирост яркости (ΔI ), необходимый для того, чтобы вызвать едва заметное различие (е. з. р.) в ощущении яркости, - примерно пропорционален уровню фоновой (сравниваемой) яркости (I ), в силу чего отношение (ΔI / I ) - величина постоянная.

Через 100 лет (1831), независимо от Бугера, нем. физиолог и психофизик Эрнст Вебер (1795-1878) в экспериментах на различение весов, длин линий и высоты звукового тона также обнаружил постоянство отношения дифференциального порога к фоновой (сравниваемой) величине стимула, т. е. (ΔI / I ) = const. Вебер обобщил эти данные в виде общего эмпирического закона, получившего название З. В. Отношение ΔI / I называется относительным дифференциальным порогом (или, короче, относительным порогом), а также дробью Вебера (или константой Вебера). Для различения звуков по высоте (частоте звукового тона) дробь Вебера является рекордно малой - 0,003, для различения яркости она примерно равна 0,02-0,08, для сравнения объектов по весу - 0,02, для длин линий - 0,03. (Подчеркнем, что эти значения сильно меняются в зависимости от др. свойств стимулов: напр., дробь Вебера для яркости зависит от цвета, длительности, площади, положения, конфигурации стимулов.)

Многочисленные исследования показали, что З. В. справедлив только для средней части сенсорного диапазона, где дифференциальная чувствительность максимальна. За пределами этой зоны относительный порог возрастает, причем очень значительно. В связи с этим одни исследователи принимают З. В., но считают его «сильной» идеализацией; др. занимаются поисками новых формул. Следует отметить, что в рамках классической психофизики З. В. имеет большое теоретическое значение, поскольку основатель психофизики Г . Фехнер опирался на него при выводе основного психофизического закона . См. Закон Фехнера . (Б. М.)

(Зинченко В.П., Мещеряков Б.Г. Большой психологический словарь - 3-е изд., 2002 г.)

Каждое ощущение, кроме качества, непременно обладает определенной степенью интенсивности, или силы. Представляется интересным выяснить, каково взаимоотношение между интенсивностью ощущения и интенсивностью раздражения. Возможно, что интенсивность ощущения либо совершенно не связана с интенсивностью раздражения, либо, наоборот, она представляет собой прямое отражение этого последнего, либо же, наконец, между ними имеется специфическая взаимосвязь, подчиняющаяся определенной закономерности.

Решить данный вопрос невозможно ни путем простого наблюдения, ни на основе того или иного теоретического соображения. В этом случае дать что-либо значимое может только эксперимент. Поэтому неудивительно, что первый шаг, сделанный на пути научного решения данного вопроса, носил экспериментальный характер; вместе с тем, это был тот первый психологический вопрос, разрешить который попытались путем эксперимента. История экспериментальной психологии начинается с того времени, когда физиолог Вебер поставил вопрос о соотношении между ощущением и раздражением, то есть между психическим и физическим, с точки зрения их интенсивности. В последующем опыты Вебера продолжил физик Фехнер, окончательно заложив тем самым основы той части психологии, которая известна под названием «психофизики» и которая в течение нескольких десятилетий считалась наиболее интересной и важной отраслью психологии.

Так, что же выяснилось о взаимосвязи между ощущением и раздражением с точки зрения их интенсивности?

Во-первых, окончательно подтвердились наблюдения, свидетельствующие о том, что человек ощущает отнюдь не любое изменение раздражения, а чувствует лишь раздражение относительно большой интенсивности. Во-вторых, в результате точных исследований был найден закон, лежащий в основе соотношения между ин-тенсивностями раздражения и ощущения.

Для понимания этого закона особенно важным является понятие так называемого «порога», установленное в процессе психофизических исследований.

Выяснилось, что интенсивность раздражения должна достигнуть определенного уровня с тем, чтобы мы хоть как-то почувствовали его воздействие. Уровень раздражения, дающий такое едва заметное ощущение, называется «нижним порогом» ощущения. Однако существует и такой уровень интенсивности раздражения, после увеличения которого интенсивность ощущения уже не усиливается. Этот уровень называется «верхним порогом» ощущения. Воздействие раздражения мы чувствуем только в интервале между этими порогами, поэтому их принято называть и «внешними порогами» ощущения.

Примечательно, что полного параллелизма между интенсивностями ощущения и раздражения не существует и в межпороговом интервале интенсивностей. Например, беря в руки книгу, мы, разумеется, чувствуем ее вес. Следовательно, в данном случае интенсивность ее веса находится в промежутке между нижним и верхним порогами. А теперь заложим в книгу лист бумаги; физически вес книги увеличится, то есть уровень интенсивности раздражения повысится. Однако, взяв книгу в руки, мы это изменение ее веса не почувствуем. Увеличение веса должно достигнуть определенного уровня, чтобы мы могли это как-то заметить. Величина прироста раздражения, необходимого для получения этого едва заметного различия между ощущениями, называется «порогом различения». Раздражение, по интенсивности превышающее данную величину, называется «запороговым», а раздражение с меньшей интенсивностью - «допороговым». Уровень порога различения (высокий или низкий) зависит от чувствительности к различению: чем выше чувствительность к различению, тем ниже порог различения.

Вебер первым обратил внимание (1834) на то, что порог различения бывает двояким - абсолютным и релятивным и что очень важно отличать их друг от друга. Абсолютным порогом различения называется прирост интенсивности раздражения, необходимый для достижения порога различения. Например, если для того, чтобы почувствовать едва заметное изменение 2000-граммового веса, к нему необходимо добавить 200 грамм, и тогда эта величина представляет собой абсолютный порог ощущения. Показатель абсолютного порога не является постоянной величиной и зависит от веса основного раздражителя. Например, если к основному раздражителю весом в 2000 грамм следует добавить 200 грамм, то в случае 4000-граммового раздражителя 200 грамм уже недостаточно - к нему нужно прибавить больше.

Если эту же величину (в нашем примере - 200 грамм) выразить не в твердых физических единицах измерения (в нашем примере - граммах), а числом, выражающим отношение между добавочным раздражением и основным раздражением, то получим релятивный порог различения (в нашем примере вес основного раздражителя составлял 2000 грамм, а добавочного - 200 грамм; отношение между ними составляет 200/2000 = 0,1. Следовательно, релятивный порог равен 0,1). Когда Вебер вычислил релятивный порог различения для различных случаев основного раздражения, выяснилось, что этот порог представляет собой константную величину. В области модальности веса он равен 0,1. Это означает, что для того, чтобы почувствовать едва заметное изменение веса, его нужно увеличить или уменьшить на одну десятую часть.

Именно в этом заключается известный основной психофизический закон Вебера, сыгравший столь значительную роль в истории психологии. Его формула очень проста и выражается следующим образом:

где dr - величина дополнительного раздражения, а r - величина основного раздражения.

После опубликования Вебером формулы своего закона было проведено множество экспериментальных исследований с целью установления величины релятивного порога различения во всех модальностях ощущения. Фехнер дал закону Вебера точное математическое выражение: для того, чтобы интенсивность ощущения росла в математической прогрессии, интенсивность раздражения должна расти в геометрической прогрессии. Более короткая математическая формула данного положения выглядит следующим образом:

где Е - интенсивность ощущения, R - интенсивность раздражения.

Последующие интенсивные исследования подтвердили, что закон Вебера-Фехнера имеет приблизительное значение - он действителен лишь в определенных пределах. В этих пределах величина порога различения для разных модальностей оказалась следующей:

Вес - 10% (в пределах 2000- 6000 грамм).

Давление - 5% (на кончике указательного пальца, в пределах 50-2000 грамм).

Свет - 1-3% (в пределах 1000-2000 люкс).

Острота зрения - 2% (при сравнении линий, плоскостей).

Тон - 12% (в пределах средней высоты и средней силы).

Ошибка Фехнера главным образом заключалась в том, что он счел возможным точное измерение интенсивности ощущения, приняв за единицу измерения так называемую «едва заметную разницу между интенсивностями ощущения». Экспериментальное изучение вопроса не подтвердило правильности его подхода.

Уже отмечалось, что объективная физическая характеристика звуковой волны - интенсивность определяет субъективную физиологическую характери­стику - громкость. Количественная связь между ними устанавливается законом Вебера-Фехнера : если интенсивность раздражителя увеличивается в геометрической прогрессии, то физиологическое ощущение растет в арифметической про­грессии.

Закон Вебера-Фехнера можно пересказать другими словами: физиологическаяреакция (в рассматриваемом слу­чае громкость ) на раздражитель (интенсивность звука) пропорциональна логарифму интенсивности раздра­жителя.

В физике и технике логарифм отношения двух интенсивностей называют уровнем интенсивности, поэтому величину, пропор­циональную десятичному логарифму отношения интенсивности некоторого звука (I) к ин­тенсивности на пороге слышимости I 0 = 10 -12 Вт/м 2:называют уровнем интенсивности звука (L):

(1)

Коэффициент n в формуле (1) определяет единицу измерения уровня интенсивности звука L . Если n =1, то единицей измерения L является Бел (Б). На практике обычно принимают n =10, тогда L измеряется в децибелах (дБ) (1 дБ = 0,1 Б). На пороге слышимости (I = I 0 ) уровень интенсивности звука L=0 , а на пороге болевого ощущения (I = 10 Вт/м 2)– L = 130 дБ.

Громкость звука в соответствии с законом Вебера-Фехнерапрямо пропорциональна уровнем интенсивности L:

Е = kL, (2)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука.

Если бы коэффициент k в формуле (2) был постоянным, то уровень гром­кости совпадал бы с уровнем интенсивности и мог бы измеряться в децибелах.

Но он зависит и от частоты и от интенсивности звуковой волны, поэтому громкость звука измеряют в других единицах – фонах . Постановили, что на частоте 1000 Гц 1 фон = 1 дБ , т.е. уровень интенсивности в децибелах и уровень громкости в фонах совпадают(в формуле (2) коэффициент k = 1 на частоте 1000 Гц). На других частотах для перехода от децибел к фонам не­обходимо вводить соответствующие поправки, которые можно определить с помощью кривых равной громкости (см. рис.1).

Определение порога слышимости на разных частотах составляет основу методов измерения остроты слуха. Полученная кривая называется спектральной характеристикой уха на пороге слыши­мости или аудиограммой. Сравнивая порог слышимости пациента с усредненной нормой, можно судить о степени развития нару­шений слухового аппарата.

Порядок выполнения работы

Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости проводится с помощью генератора синусоидального сигнала SG-530 и наушников.

Основные органы управления генератора расположены на передней панели (рис.3). Там же расположен выходной разъем для подключения наушников. На задней панели генератора расположены выключатель питания, сетевой шнур и клемма заземления.

Рис. 3. Передняя панель генератора:

1- выходной разъем; 2 -ЖКИ; 3 - энкодер.

Управление генератором осуществляется с помощью нескольких меню, которые выводятся на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Система меню организована в виде кольцевой структуры. Короткое нажатие кнопки энкодера позволяет «по кругу» переходить между меню, длинное нажатие в любом из пунктов меню приводит к переходу на главное меню. Любое действие по переходу между пунктами меню сопровождается звуковым сигналом.

С помощью системы меню можно задать частоту выходного сигнала генератора, амплитуду выходного сигнала, значение ослабления аттенюатора, считать или записать предустановку частоты, а также выключить или включить выходной сигнал. Увеличение или уменьшение значения выбранного параметра производится поворотом энкодера по (вправо) или против (влево) направления часовой стрелки соответственно.

В исходном состоянии генератора на индикатор выводится главное меню, в котором отображается текущее значение частоты, амплитуды и состояние аттенюатора. При повороте энкодера или нажатии кнопки энкодера происходит переход в меню установки частоты (рис. 4).

Одиночный поворот энкодера вправо или влево приводит к изменению частоты на один шаг.

Если на протяжении примерно 5 секунд регулировка частоты не производится, происходит автоматический переход на главное меню, за исключением меню калибровки частоты и амплитуды.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки частоты приводит к переходу в меню установки амплитуды (рис. 4а,б). Значение амплитуды выводится в вольтах с запятой, которая отделяет десятые доли вольта, если значение больше 1 В, или без запятой в милливольтах, если значение меньше 1 В. На рис. 17.4,б показан пример индикации амплитуды, равной 10 В, а на рис. 17.4,в -амплитуды 10 мВ.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки амплитуды приводит к переходу в меню установки ослабления аттенюатора. Возможные значения ослабления аттенюатора 0, -20, -40, -60 дБ.

Нажатие кнопки энкодера в меню установки ослабления аттенюатора приводит к переходу в меню установки шага изменения частоты. Шаг изменения значения частоты может иметь значение 0.01 Гц... 10 КГц. Нажатие кнопки энкодера в меню установки шага изменения частоты приводит к переходу в меню установки шага изменения значения амплитуды (рис. 5). Шаг изменения значения амплитуды может иметь значение 1 мВ... 1 В.

Порядок выполнения работы.

1. Подключите к сети (220В. 50 Гц ) шнур питания генератора SG-530 нажатием кнопки «POWER» на задней панели;

2. Однократно нажмите кнопку энкодера - произойдет переход из главного меню в меню установки частоты «FREQUENCY» - и вращением энкодера установите первое значение частоты ν =100 Гц;

3. Нажатие кнопки энкодера в меню установки частоты приводит к переходу к меню установки амплитуды «AMPLITUDE» - установите значение амплитуды Uген =300 мВ;

4. Подключите наушники к генератору;

5. Уменьшая значение амплитуды до 100 мВ, добейтесь отсутствия шума в наушниках;

6. Если при минимальной амплитуде (100 мВ) звук в наушниках ещё слышен, нажатием кнопки энкодера перейдите в меню установки ослабления аттенюатора «ATTENUATOR» и установите минимальное ослабление L (например, -20dB), при котором звук исчезает ;

7. Запишите полученные значения частотыν , амплитудыUген и ослабления L в таблицу результатов измерений (таблица 1) ;

8. Аналогично добейтесь отсутствия звука для каждой из предложенных частотν ;

9. Произведите расчёт амплитуды на выходе генератораUвых по формулеUвых = Uген ∙ K, где коэффициент ослабленияK определяется по величинеослабления L из таблицы2;

10. Определите минимальное значениеамплитуды на выходе генератораUвых min как наименьшееиз совокупности всех полученных значенийамплитуды на выходе генератораUвых для всех частот;

11. Произведите расчёт уровня громкости на пороге слышимости E по формуле E=20lg Uвых/ Uвых min ;

12. Постройте график зависимости величины уровня громкости на пороге слышимости E от значения логарифма частоты lg ν . Полученная кривая будет представлять собой порог слышимости.

Таблица 1 . Результаты измерений.

Таблица 2. Связь показаний аттенюатора L (0, -20, -40, -60 дБ) и коэффициента ослабления по напряжению K (1, 0,1, 0,01, 0,001).

Контрольные вопросы:

1. Природа звука. Скорость звука. Классификация звуков (тоны, шумы).

2. Физические и физиологические характеристики звука (частота, интенсивность, спектральный состав, высота, громкость, тембр).

3. Диаграмма слышимости (порог слышимости, порог болевого ощущения, область речи).

4. Закон Вебера-Фехнера. Уровни интенсивности и уровни громкости звука, связь между ними и единицы измерения.

5. Методика определения порога слышимости (спектральной характеристики уха на пороге слышимости)

Решить задачи:

1. Интенсивность звука частотой 5 кГц равна 10 -9 Вт/м 2 . Определить уровни интенсивности и громкости этого звука.

2. Уровень интенсивности звука от некоторого источника равен 60 дБ. Чему равен суммарный уровень интенсивности звука от десяти таких ис­точников звука при их одновременном действии?

3. Уровень громкости звука частотой 1000 Гц после его прохождения че­рез стенку понизился от 100 до 20 фон. Во сколько раз уменьшилась ин­тенсивность звука?

Литература:

1. В.Г.Лещенко, Г.К.Ильич. Медицинская и биологическая физика.- Мн.: Новое знание. 2011.

2. Г.К.Ильич. Колебания и волны, акустика, гемодинамика. Пособие. – Мн.: БГМУ, 2000.

3. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика.- М.: Высш. шк. 1987.

Закон фехнером закон, согласно коему величина ощущения прямопропорциональна логарифму интенсивности раздражителя - то есть возрастание силы раздражения вгеометрической прогрессии соответствует росту ощущения в арифметической прогрессии. Эта формулаизмерения ощущений была выведена на основе исследований Вебера, где было показано постоянствоотносительной величины приращения раздражителя, вызывающего ощущение едва заметного различия.При этом был введен его собственный постулат о том, что едва заметный прирост ощущения являетсявеличиной постоянной и его можно применять использовать как единицу измерения ощущения.

Ключевую роль в точной формулировке второй интересующей нас закономерности сыграл тот самый Густав Фехнер, основатель психофизиологии, об опытах которого мы говорили в предыдущем Прологе. Эта закономерность - её сегодня называют законом Вебера-Фехнера - связывает физическую интенсивность какого-либо стимула с субъективной реакцией на этот стимул. Например, стимулом может быть громкий звук или вспышка света меняющейся интенсивности. Реакция на стимул - субъективная оценка его интенсивности или сила реакции организма на него.

Закон Вебера-Фехнера записывается так:

тут S - физическая или объективная интенсивность стимула, S min - пороговая интенсивность, обозначающая нижний предел чувствительности органов чувств, R - интенсивность субъективной или органической реакции на стимул (о том, как она измеряется, чуть дальше), k - некоторый коэффициент, величина которого зависит от индивидуума и канала восприятия. Отметим, что интенсивность реакции зависит от отношения S/S min , которое можно понимать как интенсивность стимула, рассчитанная в минимальных значимых единицах.

Легко заметить, что по своей форме этот закон в точности соответствует уравнению субъективной ценности Бернулли. На это сходство обратил внимание ещё сам Фехнер, цитируя Бернулли. Сегодня принято считать, что это не просто сходство, а выражение одной и той же закономерности человеческого восприятия - ведь количество товара в уравнении Бернулли можно трактовать как интенсивность стимула, а его субъективную ценность - как интенсивность реакции на стимул.

Любопытно, что Фехнер вывел своё уравнение отнюдь не исходя из общих соображений, как Бернулли (хотя, в принципе, мог бы). Он проанализировал результаты, полученные другим немецким физиологом, Эрнстом Вебером. В середине 19-го века этот ученый изучал особенности человеческого восприятия веса различных грузов, и обнаружил интересную закономерность. Отвлекаясь от конкретных цифр Вебера, она такова: если испытуемый держал в руке груз весом в 100 гр., он не замечал прибавки в 5 гр., но замечал прибавку в 10 гр. Однако, если испытуемый держал в руке груз весом в 200 гр., он не замечал прибавки в 10 гр., а лишь прибавку в 20 гр. Иными словами, минимальная заметная прибавка к весу груза оказалась прямо пропорциональной его исходному весу. Вебер выяснил, что эта закономерность действует довольно в широких пределах в восприятии веса, силы звука, яркости и т.д. Серьезные отклонения от неё наблюдались лишь при очень слабых и очень сильных интенсивностях стимулов. Математический анализ результатов Вебера и привёл Фехнера к выражению, один-в-один похожему на уравнение Бернулли.

Обратим внимание, что Вебер не просил своих испытуемых как-то субъективно оценивать вес грузов, он просил лишь отмечать тот момент, когда они фиксируют изменение веса. Это значит, что выделенная закономерность относится не к каким-то высокоуровневым психологическим особенностям восприятия и мышления - как это можно счесть исходя из закона Бернулли - а характеризует довольно низкоуровневые, первичные процессы восприятия. Более того, закон Вебера-Фехнера действует даже там, где наше восприятие, вроде бы, вообще ни причем. В частности, если в качестве стимула используется инъекция гормона, то интенсивность физиологической реакции организма на инъекцию также подчиняется этому закону. То есть, возможно, что закон Вебера-Фехнера относится не к особенностям восприятия органами чувств, а вообщеописывает реакцию человека и его организма на любого рода внешние воздействия .

Но закон Вебера-Фехнера действует не только на человека. Ещё в 20-х годах прошлого века были получены свидетельства, что ему подчиняются и насекомые. В частности, двигательная активность жуков Popillia Japonica увеличивается с увеличением интенсивности светового стимула в соответствии с законом Вебера-Фехнера.

У нас достаточно оснований, чтобы выдвинуть довольно смелую гипотезу:закономерность вида закона Вебера-Фехнера описывает интенсивность реакции любой сложной когнитивной системы на внешние стимулы - будь это организм человека или любая другая органическая или социальная система.

Может быть, этому закону подчиняются не только когнитивные или органические системы. Характеризуя интенсивность землятресений, обычно используют не линейную, а логарифмическую шкалу, шкалу Рихтера. Если интенсивность землетрясения сопоставлять с амплитудой максимальных колебаний поверхности земли A max , то магнитуда землетрясения по Рихтеру вычисляется так:

Как минимум, шкала Рихтера гораздо лучше отражает субъективную силу землетрясений, лучше описывая масштаб разрушений и другие последствия стихии. Но причина может заключаться не столько в нашем восприятии, сколько в объективной мере масштаба разрушений, которая зависит не от интенсивности толчков, а от логарифма их интенсивности. В этом случае среда реагирует на толчки точно также, как и человек на внешние стимулы - в соответствии с законом Вебера-Фехнера.

7.1.2. Проблема измерения ощущений. Психофизика

Каждое ощущение независимо от его принадлежности к

определенной сенсорной системе, например зрению, слуху, осязанию и т.д.,

обладает свойствами интенсивности, длительности и

пространственной локализации.

Проблеме измерения соотношения объективной и субъективной

интенсивности стимула посвящен особый раздел психологии -

психофизика. Основателем психофизики считается Г.Т. Фехнер A801-

«Элементы психофизики». В дальнейшем установлением количественной

меры ощущений занимались многие ученые.

Психофизика основывается на ряде эмпирических фактов. Во-

первых, легко видеть, что не всякий объективно воздействующий

физический раздражитель вызывает у нас ощущение. Во-вторых, мы

обладаем очень ограниченной способностью различать ощущения,

в то время как технический прибор точно показывает, что их

источники по физическим характеристикам отличаются. Например,

неподготовленному слушателю ноты «си» и «до» могут показаться

одинаковыми, хотя на самом деле они отличаются на целый тон. В-

третьих, даже в том случае, когда мы способны сказать, что одно

ощущение отличается по интенсивности от другого (свет свечи мы

видим как более слабый, чем свет настольной лампы), нам трудно

судить о конкретной величине этого различия. Так, мы не можем

сказать, что звук громкостью в 10 Дб (шорох листьев) в два раза

тише, чем звук громкостью в 20 Дб (шепот), а тот, в свою очередь, в

три раза тише, чем звук громкостью в 60 Дб (нормальный разговор).

Другими словами, объективная (физическая) шкала изменения

раздражителя не совпадает с субъективной шкалой изменения

ощущения. Поэтому возникает вопрос о психологических правилах

(законах) приведения в соответствие шкалы изменения раздражителя и

шкалы изменения ощущения. Фехнер и его последователи были

уверены, что данные соотношения носят не случайный характер, и

попытались описать эти закономерности математически.

Первая проблема, с которой приходится сталкиваться

исследователям, связана с фактом существования порога ощущений.

Выделяют абсолютный нижний и абсолютный верхний пороги

ощущений. Абсолютный нижний порог ощущения определяется

минимальной интенсивностью раздражителя, при котором возникает

соответствующее ощущение. Для установления значения нижнего

абсолютного порога (который различен для каждой модальности,

зависим от свойств анализатора и психологического состояния

человека) пользуются следующими приемами:

246 Глава 7. Познавательные процессы. Ощущение и восприятие

Постепенно увеличивая интенсивность стимула (например

громкость звука) от неощущаемой зоны до момента возникновения

ощущения (испытуемый сообщает, что «появился чуть слышный

звук»), экспериментатор фиксирует эту критическую точку, замеры

производятся несколько раз и вычисляется среднее значение;

Постепенно уменьшая интенсивность стимула (например,

громкость звука), двигаясь из отчетливо ощущаемой зоны к моменту

исчезновения ощущения (испытуемый сообщает «звук пропал»),

экспериментатор фиксирует это критическое значение, замеры

также производятся несколько раз и вычисляется среднее;

Вычисляют среднюю интенсивность раздражителя, в ответ на

который в 50% случаев фиксируется наличие ощущения, при этом

предъявление дискретных стимулов разной интенсивности

(близкой к зоне порога) осуществляется в случайном порядке с разными

интервалами, а испытуемый должен сообщать о каждом замеченным

им раздражителе.

Данные замеров, полученных разными методами, как правило,

несколько отличаются, что объясняется явлением адаптации и

эффектом ожидания.

Абсолютный верхний порог ощущения - это максимальная

интенсивность раздражителя, при котором ощущение теряет свою

модальную специфичность (часто переходя в боль). Так, для

слуховой чувствительности нижним абсолютным порогом будет

громкость примерно в 0,3 Дб (тиканье ручных часов в полной тишине на

расстоянии 6 м), а верхним абсолютным порогом - громкость в

150 Дб (шум взлетающего самолета). Следует заметить, что даже

для одного и того же человека величина абсолютного порога носит

непостоянный характер: он оказывается то выше, то ниже. Еще

И. Мюллер в середине XIX в. отмечал, что по мере накопления

опыта (тренировки) величина нижнего абсолютного порога

понижается, а по мере утомления - повышается. Влияние фактора

«тренированности» испытуемого на порог чувствительности его

сенсорных систем связано с тем, что человек начинает предвосхищать

нужные стимулы и поэтому легче находит их (в процесс ощущения

включаются механизмы восприятия).

Еще в большей степени эта неразрывность процессов ощущения

и восприятия проявилась в концепции «обнаружения сигнала»

Д. Грина и Дж. Светса A966). Они предположили, что вероятность

обнаружения слабого раздражителя, близкого по своему значению

к пороговому, зависит от «цены» ответа. Грин и Свете разделили два

типа ошибок - «ошибки пропуска» и «ложные тревоги». Первый

тип ошибки означает, что слабое ощущение присутствует в сознании

7.1. Ощущение

субъекта, но он не обнаруживает его и не дает реакции. Второй тип

ошибки проявляется в том, что субъект реагирует на ощущение,

которого объективно нет. Для иллюстрации концепции Грина и

Светса представим себе врача-диагноста. Он рассматривает

рентгенограмму больного и должен определить, свидетельствует ли она о

наличии опухоли. Если он пропустит тревожный сигнал, расплатой

может стать жизнь пациента. А если поднимет ложную тревогу,

пациенту придется всего лишь пройти процедуру повторного

обследования. Очевидно, что в такой ситуации врач скорее будет «замечать»

признаки опухоли в недостаточно определенном изображении, чем

игнорировать их (Дж. Лофтус (G. Loftus), 2002). Аналогичный

пример можно привести из области обоняния. Например, запах какого-

то блюда кажется вам немного подозрительным. Если вы заботитесь

о своем здоровье, вы не станете есть такое блюдо: лучше остаться

голодным (ошибка ложной тревоги), чем отравиться (ошибка

пропуска). Обратная тенденция будет наблюдаться, если цена ложной

тревоги высока. Например, влюбленный упорно не хочет замечать

недостатки характера предмета своего обожания, которые

очевидны для всех окружающих. Ведь в противном случае он рискует

потерять прекрасное чувство.

Другим понятием, связанным с проблемой порогов, является

дифференциальный порог, или порог различения.

Дифференциальный порог - это минимальное различие в интенсивности двух

раздражителей, при которой возникают отличные друг от друга

ощущения. Измерение дифференциального порога связано с

упомянутым уже нами эмпирическим фактом - нашей ограниченной

способностью к различению стимулов. Изучение

дифференциальных порогов оказывается очень важным для решения широкого

круга практических задач. Насколько автомобилист может превысить

допустимую скорость, чтобы его нарушение визуально не было

замечено регулировщиком движения? Не покажется ли вам, что

чемодан стал намного тяжелее, если положить в него еще одно платье?

Почувствуют ли гости, что блюдо пересолено, если хозяйка

положила в кастрюлю на 1 г больше соли, чем было указано в рецепте?

Ответ на эти вопросы дает психофизический закон Э. Вебера A795-

1878). Вебер поставил перед собой цель установить величину едва

заметного различия, т.е. наименьшего различия между двумя

физическими раздражителями, которое может определить человек. Он

экспериментировал со способностью различения веса. Оказалось,

что различительная способность зависит не от абсолютной, а от

относительной величины изменения. Так, испытуемому казались

разными грузы весом 40 г и 41 г, но грузы весом 80 г и 81 г оценивались

248 Глава 7 Познавательные процессы Ощущение и восприятие

как равные. Таким образом, Вебер установил, что величина едва

заметного различия составляет 1/40 от первоначального веса и

является константой. Одновременно с Вебером вел исследования и дру.

гой ученый - П. Бугер, поэтому этот психофизический закон

выражается формулой

AI/1= const., где I - интенсивность стимула, Д/ - приращение

Впоследствии были получены данные о величине едва

заметного различия относительно других модальностей (табл. 14)

Таблица 14

Дифференциальные пороги для ощущений различных модальностей

Вид ощущения

Ощущение изменения высоты звука 0,3

Ощущение изменения яркости света 1,7

Ощущение изменения веса предметов 2,5

Ощущение изменения громкости звука 1

Ощущения изменения давления на поверхность кожи 3,4

Ощущение изменения вкуса соляного раствора 20

Величина едва

заметного различия

(константа Вебера -

Бугера), %

Последующие исследования, правда, показали, что закон

Вебера - Бугера действителен только для средней части диапазона

чувствительности сенсорной системы. При приближении к пороговым

величинам в закон должна быть внесена поправка, отражающая

величину ощущения от деятельности самой системы (например,

биения сердца в слуховой модальности или собственного свечения

сетчатки в зрительной модальности).

Таким образом, в окончательном виде этот закон имеет

следующий вид. А//1" + Р= const., где Р - поправка на «шум» от работы

сенсорной системы.

Эмпирический факт несовпадения объективной шкалы

изменения раздражителя и субъективной шкалы изменения ощущения был

описан основным психофизическим законом, установленным Фех-

нером и впоследствии модифицированным Стивенсом. Фехнер,

используя математические преобразования соотношения Вебера -

Бугера, пришел к выводу, что изменение силы ощущения

пропорционально десятичному логарифму изменения силы воздействующего

раздражителя. Другими словами, когда раздражитель растет в гео-

метрической прогрессии (увеличивается в N раз), ощущение

вырастает лишь в арифметической прогрессии (увеличивается на N).

Основной психофизический закон Фехнера выражается формулой

R = С (lg I - lg /о), где R - интенсивность ощущения, / -

интенсивность действующего стимула, /0 - интенсивность стимула,

соответствующая нижнему абсолютному порогу, а С - константа Вебе-

па - Бугера, специфичная для каждой модальности.

форма психофизической кривой для ощущения громкости

звука условно отражена на рис. 41.

Рис. 41. Логарифмическая кривая зависимости интенсивности

ощущения громкости от силы звука

При выведении этого закона Фехнер исходил из

невозможности непосредственной оценки испытуемым интенсивности

возникающего у него ощущения. Поэтому в его формуле единицами

измерения выступают физические величины. В 1941 г. С. Стивене из

Гарвардского университета выдвинул идею о возможности прямой

оценки человеком своих ощущений.