Name: measuring visual attention lapses
Uploaded: 2023-04-30T06:46:22.000Z
Duration: 8 min 52 s
Channel: JoVE

K12 Standards

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

High School

Physical Science

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

The Attentional Blink

1. Equipamento
<ol><li>O experimento requer um software de implementação de computador e experimento, como o E-Prime, ou um ambiente de programação como MATLAB ou PsychoPy.</li>
</ol>2. Estímulo e design de experimentos
<ol><li>Este experimento se baseia em um procedimento experimental geral chamado Rapid Serial Visual Presentation, RSVP para abreviar.<ol>
<li>Os fundamentos do RSVP envolvem ensaios experimentais em que uma série de imagens é mostrada rapidamente, uma após a outra. As imagens geralmente permanecem em um display por menos de 200 ms, antes de serem substituídas por outra imagem, dificultando o processamento extensivo das imagens.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Comece fazendo um programa RSVP básico. Configure-o para apresentar fluxos de grandes letras minúsculas pretas (fonte Helvetica) no centro do display, cada uma com duração de apenas 50 ms. As letras devem ocupar cerca de 2,5 in. verticalmente e 1,5 in. horizontalmente. A figura 1 esquematiza uma sequência RSVP.</li>
</ol><img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10211/10211fig1.jpg"> Figura 1: O básico da apresentação visual serial rápida (RSVP). Uma série de imagens é mostrada em rápida sucessão, neste caso, letras minúsculas cada uma permanecendo por apenas 50 ms antes de serem substituídas pela letra subsequente.
<ol start="3"><li>Agora, para fazer deste um programa de piscadela atencional, faça o seguinte:<ol>
<li>Faça testes com 30 imagens longas,ou seja. haverá 30 caracteres exibidos, cada um por 50 ms, fazendo cada teste 1,5 s total.</li>
		<li>28 dos caracteres em cada julgamento são letras minúsculas como apenas descrito, mas dois são números.</li>
		<li>Em cada teste, selecione aleatoriamente os dois números entre 1 e 9 para mostrar, mas também certifique-se de que os dois números em um teste são sempre diferentes.</li>
		<li>Selecione aleatoriamente o local em que o primeiro número aparece dentro do limite do8º item apresentado e o 20º item apresentado. Em outras palavras, em cada ensaio, coloque um número entre a posição 8e 20 RSVP.</li>
		<li>O segundo número aparece em qualquer lugar entre imediatamente após a primeira e seis posições depois dele. Uma vez que a posição do segundo número é definida em relação ao primeiro, estas são chamadas de posições de lag. O segundo número pode ter uma posição de defasagem variando entre 1 e 6. De fato, ao longo de todo o experimento haverá um número igual de cada uma das posições de lag entre 1 e 6. A Figura 2 esquematiza o conceito de posição de defasagem.</li>
		<li>Programe o experimento para incluir 180 ensaios no total, 30 cada para cada posição de lag, 1-6.</li>
		<li>No final de cada teste, a tela deve ler "Primeiro? Segundo?", como mostra a Figura 2, para levar o observador a relatar os números que viram durante o julgamento.</li>
		<li>Por fim, configure o programa para produzir uma planilha de saída que reporte todos os dados relevantes. Cada linha no arquivo corresponde ao conteúdo de um único ensaio, e deve incluir as seguintes informações, como mostrado na Figura 3: o número de ensaio, a posição do primeiro número no fluxo RSVP, a posição de defasagem do segundo número, a verdadeira identidade do primeiro número, a verdadeira identidade do segundo número, e a tecla de imprensa feita pelo participante para identificar o primeiro número, e o mesmo para o segundo.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10211/10211fig2.jpg"> Figura 2: Métodos para piscar de atenção. Uma tela pronta é seguida por um fluxo RSVP composto principalmente por letras, 30 imagens no total. Entre as letras estão dois números. O primeiro número aparece entre as 8e as 20posições no fluxo. A posição do segundo número é chamada de lag e definida em relação ao aparecimento do primeiro número de tal forma que após o primeiro imediatamente é chamado de lag 1, a próxima posição lag 2, e assim por diante. O experimento consiste em 30 ensaios em cada um dos lags 1-6. 
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10211/10211fig3.jpg"> Figura 3: Organização de uma tabela de saída de dados para um experimento de piscar de atenção. Cada linha corresponde a um teste do experimento. Os parâmetros importantes a serem registrados são a posição do primeiro número no fluxo (valor entre 8 e 20), a defasagem até o segundo número (valor entre 1 e 6), a identidade dos dois números mostrados e as respostas dadas pelo participante no final do ensaio.
3. Executando o experimento
<ol><li>Para um experimento completo, o ideal é testar entre 10 e 20 participantes, mas o resultado deste experimento deve ser aparente nos dados da maioria dos participantes individuais.</li>
	<li>Para testar um participante, sente-os em frente ao monitor do computador para que a parte de trás de sua cadeira esteja a cerca de 60 cm de distância.</li>
	<li>Explique as instruções a eles da seguinte forma:<ol>
<li>"Este experimento foi projetado para investigar a velocidade da atenção humana. Cada julgamento será mais ou menos o mesmo. Você verá uma tela com a palavra"Pronto?" sobre ele. A tela permanecerá assim até que você pressione a barra espacial para iniciar um teste. Uma vez iniciado um teste, você verá uma série de letras minúsculas aparecerem rapidamente no centro da tela ao longo de 1,5 segundos. Dois números aparecerão embutidos entre as letras. Eles aparecerão em posições aleatórias, e não necessariamente imediatamente um após o outro. Sua tarefa é prestar muita atenção à sequência de letras, e tentar reconhecer as duas letras que aparecem. No final de um julgamento, você será solicitado a inserir os números que você acha que apareceram, e na ordem que você acha que os viu, o primeiro, seguido pelo segundo. Haverá 180 testes no total, então o experimento só deve durar de 5 a 10 minutos. É muito importante, no entanto, que você faça o seu melhor. Se você está incerto sobre a identidade de um número em qualquer julgamento, basta adivinhar. Alguma pergunta?</li>
	</ol>
</li>
	<li>Após responder a qualquer pergunta, inicie o experimento para o participante, observando como eles completam alguns ensaios no caso de mais perguntas surgirem. Em seguida, deixe o participante para completar o experimento.</li>
</ol>4. Análise de Resultados
<ol><li>A primeira coisa a fazer para analisar os resultados é adicionar duas colunas à planilha de dados agora preenchida, uma coluna chamada Accuracy 1, e uma chamada Accuracy 2, destinada a indicar se o participante identificou corretamente o número em cada posição naquele ensaio. Compare o número real que apareceu em cada ensaio com a resposta dada, preenchendo a coluna com um 1 para uma resposta correta e um 0 para uma resposta incorreta. A Figura 4 mostra como a tabela deve olhar para este ponto.</li>
</ol><img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/10211/10211fig4.jpg"> Figura 4: Saída de dados povoada para um experimento de piscar de atenção. As colunas Accuracy 1 e Accuracy 2 relatam se a resposta inserida por um participante corresponde às identidades reais do número apresentado durante cada ensaio. 1 indica uma resposta correta, e 0 indica uma resposta incorreta.
<ol start="2"><li>Agora calcule a precisão geral de resposta para o participante para o primeiro número. Faça isso com a média dos números na coluna Precisão 1 da planilha. Isso deve ser muito alto, entre 0,90 e 1.</li>
	<li>Finalmente calcule a precisão média de resposta para cada uma das seis posições de lag para o segundo número.</li>
</ol>

Como muitas outras tarefas laboratoriais para estudar a atenção, o piscar de olhos tornou-se uma ferramenta comum em estudos de danos cerebrais, bem como em estudos que utilizam técnicas de neuroimagem para investigar as áreas cerebrais envolvidas no controle e coordenação da atenção.
O paradigma de piscar de atenção também tem sido usado para investigar os tipos de coisas que podem captar a atenção automaticamente, e até mesmo como a ansiedade e outros problemas de saúde mental podem causar a...

o piscar de atenções

Fonte: Laboratório de Jonathan Flombaum - Universidade Johns Hopkins
Para que o reconhecimento de um certo estímulo ocorra, a atenção visual precisa ser direcionada para esse estímulo. Nas primeiras partes do sistema visual, os objetos não são objetos, são coleções de características visuais- linhas, cantos, mudanças de textura, cor e luz. A atenção é o recurso necessário para o processamento posterior, a fim de reconhecer o que um determinado pacote de recursos soma. Isso faz da atenção um foco central da pesquisa. Um conjunto especialmente importante de perguntas diz respeito à forma como as pessoas sustentam a atenção, ou seja, até que ponto elas podem manter continuamente um foco de atenção de momento a momento. Sabe-se agora que a atenção sustentada requer muito esforço. Quando a atenção precisa ser focada muito rapidamente em algo que está se movendo ou mudando muito rapidamente, o esforço envolvido causa um lapso momentâneo de atenção uma vez que ele é desengajado. Esse tipo de lapso de atenção é chamado de piscar de olhos. É como se o cérebro piscasse por um momento, desligando a atenção para descansar. Estímulos que aparecem durante um piscar de olhos não serão percebidos. 
Em 1992, um grupo de pesquisadores criou um paradigma para estudar o piscar de olhos, e o paradigma passou a ser conhecido pelo mesmo nome. 1 Demonstra alguns dos desafios para manter a atenção focada. Este vídeo demonstra como implementar o paradigma de piscar atencional para estudar a atenção visual sustentada.

Precisão média de resposta do gráfico para o primeiro número, juntamente com a precisão de resposta para o segundo número em função da posição de lag. A Figura 5 mostra um exemplo.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10211/10211fig5.jpg"> Figura 5: Resultados de um experimento de piscar de atenção. Como mostrado, os participantes geralmente são capazes de relatar o pri...

O Piscar de Atenções

Source: Laboratory of Jonathan Flombaum&#8212;Johns Hopkins University
In order for recognition of a certain stimulus to take place, visual attention ...

O processamento de informações em um ambiente em rápida mudança é exigente e a atenção visual é necessária para que ocorra o reconhecimento de objetos. Por exemplo, para reconhecer como um grupo de características compreende um objeto, como esta bola de futebol, é necessária atenção visual e sustentá-la exige um esforço considerável. Em situações dinâmicas em que os itens se movem rapidamente - como uma bola de futebol e jogadores em campo durante um jogo - o esforço de atenção envolvido causa um lapso momentâneo de atenção quando é desengajado, como quando o quarterback está procurando um receptor. Esse lapso é chamado de piscar de atenção - como se o cérebro piscasse por um momento, desligando a atenção para um descanso - no qual estímulos, como um oponente, não são percebidos. Com base nos métodos pioneiros de Raymond, Shapiro e Arnell em 1992, este vídeo demonstra como implementar o fenômeno do Attentional Blink discutindo as etapas necessárias para projetar os estímulos e executar o paradigma, bem como analisar os dados e interpretar os resultados que descrevem a precisão das respostas em ensaios com níveis variados de engajamento atencional. Neste experimento, uma série de imagens, como grandes letras minúsculas pretas e números em fonte Helvetica, são apresentadas por 50 ms, uma após a outra - um procedimento experimental chamado Rapid Serial Visual Presentation, RSVP para abreviar. Cada teste é programado para exibir 30 caracteres no total, sendo que duas das imagens são números diferentes entre 1 e 9. O primeiro é colocado aleatoriamente em algum lugar entre a oitava e a vigésima posição RSVP, enquanto o segundo dígito é inserido aleatoriamente em um local imediatamente após o primeiro número, seis lugares depois dele. Esse espaçamento é chamado de posição de atraso, que pode variar de 1 a 6. Ao longo do experimento, existem 180 tentativas, 30 em cada uma das 6 posições de atraso. Após cada tentativa, os participantes são solicitados a relatar os números, na ordem em que apareceram, durante o RSVP. A variável dependente é registrada como o número de respostas corretas nas posições de atraso. A lógica por trás do paradigma é que o primeiro número chamará a atenção do participante, levando a uma precisão muito alta na nomeação dos primeiros. No entanto, dependendo da posição de atraso, espera-se que o desempenho varie ao relatar o segundo número. Se aparecer imediatamente após o primeiro, o desempenho ainda deve ser muito alto - um conceito chamado economia de lag 1. A precisão deve ser afetada mais dramaticamente quando o segundo número está na segunda e terceira posições de atraso - por causa do fenômeno de piscar de atenção - e a precisão será menos afetada nas posições de atraso posteriores, aquelas que ocorrem após a curta janela de piscar de atenção. Antes do experimento, configure o programa para gerar uma planilha de saída que relate todos os dados relevantes para análise subsequente, incluindo o número do teste, a posição do primeiro dígito no fluxo de RSVP e o atraso, a verdadeira identidade do primeiro e do segundo números e as respostas fornecidas. Para começar, cumprimente o participante no laboratório e guie-o para a sala experimental. Faça-os sentar-se confortavelmente em frente ao computador, com o encosto da cadeira a aproximadamente 60 cm de distância. Agora, explique as instruções da tarefa: A tela exibirá a palavra "Pronto?" até que a barra de espaço seja pressionada, após o que uma série de letras e números aparecerá imediata e rapidamente. Instrua o participante a indicar quais números ele viu pressionando as teclas correspondentes na mesma ordem em que os viu. Lembre-os de que, se não tiverem certeza de quais números viram, apenas adivinhem. Depois de responder a quaisquer perguntas, saia da sala e permita que eles concluam os 30 testes em todas as posições de lag, para um total de 180. Quando terminarem, agradeça por participarem do experimento. Para iniciar a análise de dados, abra a planilha com a saída de dados do experimento. Adicione duas colunas, chamadas 'Precisão 1' e 'Precisão 2', para indicar se o participante identificou corretamente o número em cada posição. Para cada tentativa, na coluna denominada 'Precisão 1', indique se eles identificaram ou não o primeiro número corretamente colocando um 1 ou incorretamente atribuindo um 0. Duplique isso para a coluna rotulada como 'Precisão 2'. Em seguida, o gráfico da precisão média em todas as tentativas para o primeiro, juntamente com as médias para os segundos números relatados? Precisão 2'?por posições de atraso. Observe que a resposta para o primeiro número?' A precisão 1 foi muito alta, o que demonstra que, embora o número apareça muito brevemente, em um local imprevisível e embutido entre as letras, a atenção focada pode suportar processamento e reconhecimento detalhados. Como previsto, quando o segundo número seguiu imediatamente o primeiro, a precisão permaneceu alta devido à reserva do lag 1. Assim, a atenção focada desencadeada pelo primeiro número permanece engajada, permitindo a captura do segundo número. No entanto, para as posições de atraso 2 e 3, os valores médios de precisão diminuíram drasticamente, refletindo o fenômeno do piscar de atenção. Ou seja, após processar o primeiro número, a atenção fica temporariamente desligada, reduzindo assim o processamento e o reconhecimento. No entanto, o piscar de atenção não durou muito, como mostrado pelo desempenho aprimorado para as posições de atraso 4, 5 e 6. Agora que você está familiarizado com o fenômeno, vamos ver como o paradigma é usado para investigar as limitações básicas da atenção visual com mais detalhes, incluindo os tipos de coisas que podem capturá-la automaticamente e até mesmo como a ansiedade e outros problemas de saúde mental podem desviá-la. Em uma tarefa semelhante de RSVP usando fotografias, os participantes foram solicitados a identificar uma imagem-alvo - uma que foi girada em uma posição incomum. Por exemplo, uma sala de cabeça para baixo foi incluída como alvo e os participantes relataram se era uma cena interna ou externa. Em alguns testes, os pesquisadores adicionaram uma imagem de uma aranha ao riacho em uma posição anterior ao alvo. Eles levantaram a hipótese de que isso poderia capturar automaticamente a atenção por causa do medo que induz. Nesse caso, eles raciocinaram que deveria produzir um piscar de atenção - levando o alvo girado a ser perdido. De fato, os participantes responderam de forma imprecisa quando uma aranha precedeu o alvo, demonstrando que objetos indutores de medo podem capturar automaticamente a atenção e produzir piscadas de atenção. Os pesquisadores também usaram o mesmo paradigma para investigar as diferenças entre pessoas com fobias graves e aquelas com apenas uma antipatia típica por aranhas. Neste caso, a tarefa é invertida: a sala girada é mostrada de antemão, apresentando a aranha na posição lag 2. Para a maioria dos participantes, então, a percepção da aranha é bloqueada pelo piscar de atenção. Curiosamente, indivíduos com aracnofobia grave não mostraram um piscar de atenção, pois relataram ter visto a aranha - sugerindo que, às vezes, os estímulos emocionais têm uma atração muito forte sobre a atenção, quando de outra forma seria desengajada. Você acabou de assistir a introdução de JoVE ao piscar de atenção. Agora você deve ter uma boa compreensão de como projetar e executar uma tarefa de engajamento de atenção, bem como analisar e avaliar os resultados. Obrigado por assistir!

Education

JoVE Science Education

Psychology

Psicologia

Sensation and Perception

Sensação e Percepção

measuring visual attention lapses

Visual attention is needed to recognize a stimulus. Early in vision, objects are not seen as whole objects. They are processed as features such as lines, corners, texture changes, color, and light. Attention helps later processing combine those features into something the brain can identify.

This makes attention a major topic in vision research. A key question is how people sustain attention over time. Sustained attention means keeping focus from moment to moment. It takes effort, especially when attention must shift very quickly to something that is moving or changing rapidly.

That effort can cause a brief lapse after attention is disengaged. This lapse is called an attentional blink. During that short pause, stimuli that appear are not perceived. Researchers use the attentional blink paradigm, named for this effect, to study how well people maintain focused visual attention.

The paradigm was first devised in 1992. It shows some of the challenges of keeping attention steady under fast-changing conditions. The method in this video demonstrates how to implement the attentional blink paradigm for studying sustained visual attention.

Measuring Visual Attention Lapses

color afterimages

Color Opponency and Afterimages

Color afterimages show how the brain uses opponent color signals to process vision. Human color vision can separate millions of hues, even though it depends on fairly simple hardware. A key part of that ability comes from an opponent system in the brain. In an opponent system, the presence of one kind of color signal is treated as evidence for the absence of another. The absence of one signal can also count as evidence for the other. For example, some brain cells respond when blue is present...

finding your blind spot and perceptual filling-in

finding-your-blind-spot-and-perceptual-filling-in

How the Brain Fills In the Blind Spot

The blind spot is a gap in vision created by the retina and optic nerve. The retina contains light-sensitive cells that detect light and send signals to the brain through the optic nerve, a bundle of neural fibers. In each retina, there is one area in the periphery where these outputs collect and the optic nerve exits. That spot has no photosensitivity, so light that lands there does not create a signal. This means humans have a blind spot, or a place in the visual field where incoming stimuli...

perspectives on sensation and perception

Sensory Illusions in Perception

Sensation and perception explain how the brain turns sensory signals into what we see, hear, feel, and taste. Sensation is the process of transducing signals from sensory organs, such as the eyes. Perception is how the brain interprets those messages. This field has a long history that reaches back to the 19th century. During that time, scientists made major progress in understanding the properties of light and how they connect to the visual system. Those findings helped shape modern ideas...

motion-induced blindness

Visual Awareness Through Motion Illusion

Visual awareness and motion-induced blindness show how the brain shapes what people see. In visual perception and sensation, what appears in the world is not a direct copy of physical reality. People may miss real objects, see things that are not there, or see them in a distorted way. Scientists use the word awareness to mean what people actually perceive. To study awareness, vision researchers often rely on illusions and misperceptions. These cases help reveal how the brain builds experience...

the rubber hand illusion

Body Mapping and the Rubber Hand Illusion

The Rubber Hand Illusion shows how the brain builds a map of the body in space. This body map helps people reach for objects, walk without hitting obstacles, and sit down without missing a chair. It depends on proprioception, which is the brain's sense of where the limbs are based on control and feedback signals. The brain does not rely on proprioception alone. It also uses vision, touch, and even sound to represent body parts in space. The classic illusion, first described by Botvinick and...

the ames room

How the Ames Room Warps Depth

The Ames Room is a visual illusion that changes how people judge depth and size. It is built to show how the brain uses assumptions to recover three-dimensional space from a two-dimensional image on the retina. The retina is the light-sensitive tissue inside the human eye. Light from objects in the world reflects onto the retina and creates patterns of stimulation. Objects that are side-by-side in the world usually create side-by-side stimulations on the retina. Distance is harder to recover,...

inattentional blindness

Visual Attention and Missed Objects

Visual attention helps determine which parts of the visual world the brain processes and how well it processes them. Because attention is limited, people cannot take in everything at once, even when an object is right in front of them. Researchers began showing this effect in the 1960s. Ulrich Neisser demonstrated that people can miss visible objects when their attention is distracted. Later, in the 1980s and 1990s, Arien Mack and Irvin Rock built on that work and developed a simple way to...

spatial cueing

Measuring Visual Attention with Cues

Visual attention is the limited ability to focus on some information while ignoring other stimuli in the environment. It is studied in many senses, including vision, hearing, touch, taste, and smell. Researchers most often examine it in vision because it is easy to test with controlled displays. A common method is the spatial cueing paradigm. In this task, a cue appears to guide attention toward one location, and researchers measure what happens when attention is focused there instead of...

the attentional blink

Visual attention is needed to recognize a stimulus. Early in vision, objects are not seen as whole objects. They are processed as features such as lines, corners, texture changes, color, and light. Attention helps later processing combine those features into something the brain can identify. This makes attention a major topic in vision research. A key question is how people sustain attention over time. Sustained attention means keeping focus from moment to moment. It takes effort, especially...

crowding

Peripheral Vision and Letter Crowding

Peripheral vision and letter crowding are shown in this high school science video. The lesson connects how the eye samples light with why objects are harder to recognize at the edge of vision. Human vision depends on light-sensitive neurons in the back of the eye called the retina. These neurons are rods and cones, named for their shapes. They are not spread evenly across the retina. The center region, called the macula, has a dense pack of cones. Cones are especially concentrated in the...

the inverted-face effect

Face Recognition and Upside-Down Faces

Face recognition is a specialized part of human perception. It often feels effortless, but it actually depends on complex and intensive processing. The brain uses dedicated networks to detect faces and tell them apart.

the mcgurk effect

How Lip Reading Shapes Speech Perception

Speech perception depends on both hearing and vision. In many face-to-face conversations, the mouth gives strong visual clues about what a person is saying. Those clues can help the brain sort out speech sounds that are hard to hear clearly. This reliance on visual input is one reason spoken language is easier to understand when the speaker’s face is visible and close up. The mouth can sometimes provide better information than the sound alone. When the brain combines what it sees with what it...

just-noticeable differences

Measuring Size Changes with JND

Psychophysics studies how physical changes become neural signals and mental ideas about magnitude. A key idea in this field is the just-noticeable difference, or JND. A JND is the smallest change people can perceive. Size is a clear way to study JND. Small changes in a child’s height may go unnoticed from day to day. After a longer absence, such as a return from sleep-away camp or a visit after many weeks, those same small changes can seem obvious because they have added up. Researchers...

the staircase procedure for finding a perceptual threshold

the-staircase-procedure-for-finding-a-perceptual-threshold

Measuring Auditory Thresholds with Staircase Testing

Psychophysics studies how the physical strength of a stimulus relates to what people actually perceive. It focuses on perceptual thresholds, which are the smallest amounts of stimulation a person can sense. Examples include the brightness needed to see a light, the pressure needed to feel touch, and the softness of a sound that can still be heard. The staircase procedure is an efficient method for finding a perceptual threshold. Here, the stimulus is adjusted step by step based on a person’s...

object substitution masking

Visual Masking with Object Substitution

Visual masking describes cases where one image is presented, but an observer does not perceive it because a second image appears. In vision science, this kind of interference helps researchers study how the brain selects and stores visual information. Object substitution masking is a surprising form of visual masking. It became an important topic in vision research after it was discovered relatively recently, around 1997, by Enns and Di Lollo. The effect has been studied because it shows that...

sensation and perception

Esta coleção aborda uma variedade de procedimentos para estudar como o cérebro processa nosso complexo mundo sensorial e resolve problemas que confrontam a consciência e a percepção visual, tátil e auditiva.

Explore how the attentional blink reveals brief lapses in visual attention and how researchers use the paradigm to study sustained attention in fast-changing scenes.

Measuring Visual Attention Lapses | JoVE K12

Life Science

Structure and Function

HS-LS1-2.

Jonathan Flombaum

Overview

Stimulus and Experimental Design

Running the Experiment

Data Analysis and Representative Results

Applications

Summary

Travelling Waves

A wave is a disturbance that propagates from its source, repeating itself periodically, and is typically associated with simple harmonic motion. ...

Wave Parameters

The simplest mechanical waves are associated with simple harmonic motion and repeat themselves for several cycles. These simple harmonic waves can be ...

Equations of Wave Motion

Mathematically, the motion of a wave can be studied using a wavefunction. Consider a string oscillating up and down in simple harmonic motion, having a ...

Graphing the Wave Function

Consider the wave equation for a sinusoidal wave moving in the positive x-direction. The wave equation is a function of both position and time. From the ...

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Velocity and Acceleration of a Wave

A wave propagates through a medium with a constant speed, known as a wave velocity. It is different from the speed of the particles of the medium, which ...

Speed of a Transverse Wave

The speed of a wave depends on the characteristics of the medium. For example, in the case of a guitar, the strings vibrate to produce the sound. The ...

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problem-solving-tuning-of-a-guitar-string

Problem-Solving: Tuning of a Guitar String

In the case of stringed instruments like the guitar, the elastic property that determines the speed of the sound produced is its linear mass density or ...

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Kinetic and Potential Energy of a Wave

All forms of waves carry energy; this is directly visualized in nature. For instance, the waves of earthquakes are so intense that they can shake huge ...

Energy and Power of a Wave

The total energy associated with a wavelength is the sum of the potential energy and the kinetic energy. The average rate of energy transfer associated ...

Interference and Superposition of Waves

When two waves of the same nature occur in the same region simultaneously, they result in interference. Interference of waves implies that the net effect ...

Reflection of Waves

When a wave travels from one medium to another, it gets reflected at the boundary of the second medium. A common example of this is when a person yells at ...

Propagation of Waves

When a wave propagates from one medium to another, part of it may get reflected in the first medium, and part of it may get transmitted to the second ...

Standing Waves

Sometimes waves do not seem to move; rather, they just vibrate in place. Unmoving waves can be seen on the surface of a glass of milk kept in a ...

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Modes of Standing Waves - I

A close look at earthquakes provides evidence for the conditions appropriate for resonance, standing waves, and constructive and destructive interference. ...

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Modes of Standing Waves: II

The starting point for expressing the modes of standing waves is understanding the boundary conditions that the waves must follow. The boundary conditions ...

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Sound Waves

Sound waves can be thought of as fluctuations in the pressure of a medium through which they propagate. Since the pressure also makes the medium&#39;s ...

Sound as Pressure Waves

Sound waves, which are longitudinal waves, can be modeled as the displacement amplitude varying as a function of the spatial and temporal coordinates. As ...

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Perception of Sound Waves

The human ear is not equally sensitive to all frequencies in the audible range. It may perceive sound waves with the same pressure but different ...

Speed of Sound in Solids and Liquids

Most solids and liquids are incompressible&#8212;their densities remain constant throughout. In the presence of an external force, the molecules tend to ...

Speed of Sound in Gases

The speed of sound in a gaseous medium depends on various factors. Since gases constitute molecules that are free to move, they are highly compressible. ...

Shock Waves

While deriving the Doppler formula for the observed frequency of a sound wave, it is assumed that the speed of sound in the medium is greater than the ...

Echo

The human ear cannot distinguish between two sources of sound if they happen to reach within a specific time interval, typically 0.1 seconds apart. More ...

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Use mathematical representations to support a claim regarding relationships among the period, frequency, wavelength, and speed of waves traveling and transferring energy (amplitude, frequency) in various media.

HS-PS4-1.

Using GIS to Investigate Urban Forestry

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Urban forests broadly include urban parks, street trees, landscaped ...

Evaluate questions about the advantages of using a digital transmission and storage of information.

HS-PS4-2.

concept-of-resonance-and-its-characteristics

Concept of Resonance and its Characteristics

If a driven oscillator needs to resonate at a specific frequency, then very light damping is required. An example of light damping includes playing piano ...

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Sound Waves: Resonance

Resonance is produced depending on the boundary conditions imposed on a wave. Resonance can be produced in a string under tension with symmetrical ...

Sound Waves: Interference

Sound waves can be modeled either as longitudinal waves, wherein the molecules of the medium oscillate around an equilibrium position, or as pressure ...

Interference: Path Lengths

Consider two sources of sound, that may or may not be in phase, emitting waves at a single frequency, and consider the frequencies to be the same.
Two ...

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The Wave Nature of Light

The nature of light has been a subject of inquiry since antiquity. In the seventeenth century, Isaac Newton performed experiments with lenses and prisms ...

The Electromagnetic Spectrum

The electromagnetic spectrum consists of all the types of electromagnetic radiation arranged according to their frequency and wavelength. Each of the ...

The Quantum-Mechanical Model of an Atom

Shortly after de Broglie published his ideas that the electron in a hydrogen atom could be better thought of as being a circular standing wave instead of ...

Quantum Numbers

It is said that the energy of an electron in an atom is quantized; that is, it can be equal only to certain specific values and can jump from one energy ...

Interference and Diffraction

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Interference and diffraction ...

Photoelectric Effect

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38;&#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Photoelectric effect ...

Reflection and Refraction

Source: Derek Wilson,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA
...

Evaluate the claims, evidence, and reasoning behind the idea that electromagnetic radiation can be described either by a wave model or a particle model (quantum theory), and that for some situations one model is more useful than the other.

HS-PS4-3.

Electric Charge in a Magnetic Field

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment duplicates J.J. Thomson's famous experiment at the end of ...

Electromagnetic Fields

Electric fields generated by static charges, often referred to as electrostatic fields, are characteristically different from electric fields created by ...

Electromagnetic Waves

James Clerk Maxwell formulated a single theory combining all the electric and magnetic effects scientists knew during that time, calling the phenomena his ...

Electromagnetic waves are categorized according to their wavelengths and frequencies, giving the electromagnetic spectrum. These waves are classified as ...

Plane Electromagnetic Waves I

The existence of combined electric and magnetic fields that propagate through space as electromagnetic (EM) waves is the most significant prediction of ...

Plane Electromagnetic Waves II

Consider a plane wavefront traveling in position x-direction with a constant speed. This wavefront can be utilized to obtain the relationship between ...

propagation-speed-of-electromagnetic-waves

Propagation Speed of Electromagnetic Waves

Electromagnetic waves are consistent with Ampere&#39;s law. Assuming there is no conduction current Ampere&#39;s law is given as:


Consider a plane ...

Electromagnetic Waves in Matter

Electromagnetic waves can travel in the vacuum as well as in matter. For example light, which is an electromagnetic wave, can travel through air, water, ...

Energy Carried By Electromagnetic Waves

Anyone who has used a microwave oven knows there is energy in electromagnetic waves. Sometimes, this energy is obvious, such as in the summer sun&#39;s ...

Intensity Of Electromagnetic Waves

The energy transport per unit area per unit time, or the Poynting vector, gives the energy flux of an electromagnetic wave at any specific time. For a ...

Momentum And Radiation Pressure

An object absorbing an electromagnetic wave would experience a force in the direction of propagation of the wave. This force occurs because ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging

Source: Frederick W. Damen and Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana
In this video, high ...

an-introduction-to-drosophila-melanogaster

An Introduction to Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster, also known as the fruit fly, is a powerful model organism widely used in biological research that has made significant ...

an-introduction-to-the-zebrafish-danio-rerio

An Introduction to the Zebrafish: Danio rerio

Zebrafish (Danio rerio) are small freshwater fish that are used as model organisms for biomedical research. The many strengths of these fish include their ...

Evaluate the validity and reliability of claims in published materials of the effects that different frequencies of electromagnetic radiation have when absorbed by matter.

HS-PS4-4.

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