國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

神秘的重量

越小就越輕?那可不一定!
器材:鐵片、保麗龍、海報紙
操作步驟與現象:

桌上放了三個外觀完全一樣的紙盒子,如圖一。然後邀請學生或觀眾將三個盒子一起拿起來(如圖二),感覺一下重量。接著,換成只拿最上面的一個盒子(如圖三),感覺一下重量。哪一種情形會比較重?三個盒子當然比較重,不是嗎?

結果很有趣,受試者會覺得只拿一個盒子,比三個盒子還要重!反覆的操作,感覺都一樣。接著,請受試者閉著眼睛,打開手掌,然後將盒子放在受試者手掌上(不告知放幾個盒子),這時受試者會覺得三個盒子比一個盒子重,或是覺得重量很接近。

 

觀看實驗影片(13.0M

原理:

會覺得最上面的盒子比三個盒子重,單純是我們的錯覺。最上面的盒子裝的是鐵塊,下面二個盒子則裝了很輕的保麗龍。裝了鐵塊的盒子,並不會比自己再加上二盒保麗龍還要重。會有比較重的錯覺,是因為三個盒子的體積是一個盒子的三倍,我們的知覺會誤斷鐵塊的盒子更重。此現象稱為「大小-重量錯覺」(size–weight illusion)或稱為「夏蓬特錯覺」(Charpentier illusion)。有趣的是,就算知道原理,或是告知受試者實際情況,這個錯覺還是存在喔!

早在十九世紀中葉,科學家就注意到我們身體對於重量的知覺有所差異,例如手指比手掌對於重量的知覺更為精細。一直到二十世紀的幾十年期間,不少生理學家陸續發表相關的研究論文,但是大多關心物體重量、密度與其他變因的數學關係建立。而法國生理學家奧古斯汀•夏蓬特(Augustin Charpentier)則以神經生理學的角度討論重量知覺的問題,例如重量知覺和單位皮膚面積所感知的壓力有關,夏蓬特於1891年初版的研究提出了「大小-重量錯覺」(size–weight illusion)一詞,後來就被稱為「夏蓬特錯覺」。

這種錯覺的原因頗為複雜,直到目前,都還有科學家發表相關的研究論文。在Flanagan & Beltzner(2000)的研究中,請受試者以拇指與食指拿起重量一樣,但是大小不同的物體,並設計了可以測量手指「抓握力」以及「舉起力」的裝置。每位受試者分別拿20次,前5次拿取的實驗結果如圖四。

圖四的藍色曲線為對小物體的施力情形,紅色曲線為對大物體的施力;箭頭則為物體被拿起來離開桌面的時間點。由圖四可看出,當受試者在拿小的物體時(藍色曲線),無論「抓握力」或「舉起力」,一開始施力都比較小,然後緩慢的增加施力。反之,在拿大的物體時(紅色曲線),「抓握力」與「舉起力」一開始都過大,物體被拿起來的時間比較快,而當大物體被拿起來後,施力下降的程度更多。有趣的是,施力情形和是否告知受試者「二個物體重量一樣」,並沒有顯著差異。

 

本實驗類似上述Flanagan & Beltzner(2000)研究結果。當我們拿起三個盒子之後,認知系統會預期一個盒子較輕,因此拿一個盒子時,一開始施力較小,然後再逐漸增加施力,雖然增加的施力並未大於拿三個盒子時的施力,但是我們的認知會覺得一個盒子更重。

叮嚀的話:

1.進行製作時,鐵塊可換成鉛塊(密度大的即可);而保麗龍可以換成飛機木(沙巴木)或珍珠板(輕,但不會太軟的即可)。而盒子可用撲克牌盒子或香菸盒子代替。

2.製作盒子時,要注意盒子的質感要一樣,避免軟硬不一樣,建議可剪裁瓦楞板當為盒子的內襯。而使用鉛塊(片)或鐵塊填充到盒子時,可用補土(灰泥)或白膠當為空隙的填充劑,以避免金屬塊在盒子內晃動撞擊。

3.盒子的高度不能太高,要以一隻手能夠拿起三個盒子為原則,建議一個盒子的高度不要超過2公分。

4.在教學上可指導學生實驗與討論以下問題:(1)如果拿的順序相反,先拿最上面的一個盒子,然後再三個盒子一起拿,會有一個比三個重的錯覺嗎?(2)如果只用輕、重二個盒子,分別拿二個、一個,哪一個感覺比較重?(3)製作大小不一樣的盒子,小盒子裝鐵塊,大盒子裡面可以更換輕重不同的物品(可以改變重量)。實驗方法:請受試者分別將大盒子、小盒子垂直拿起來,判斷重量有何差異性?實驗結果可以探究外觀大小對於重量判斷的影響程度。(4)如同上述設計,但是眼睛閉著操作,實驗結果可以探究大小差異的視覺訊息和重量認知的關聯性。

參考資料:

1. Flanagan, J. R., & Beltzner, M. A. (2000). Independence of perceptual and sensorimotor predictions in the size–weight illusion. Nature Neuroscience, 3(7), 737-741.

2. The Charpentier illusion, Tricks (ABC Science). http://www.abc.net.au/science/articles/2011/09/08/3312422.htm

3. Murray D. J., Ellis R. R., Bandomir, C. A., & Ross H. E. (1999). Charpentier (1891) on the size-weight illusion. Percept Psychophys. 61(8), 1681-1685.

4. 吳水丕、張書瑀(2002)。大小/重量錯覺對於抬舉作業的效應。工作與休閒學刊,3(1),11–24.

5. YouTube影片,Three Card Box Illusion:https://www.youtube.com/watch?v=iItQVjrk00g