一九七一年美国斯坦福大学的心理学家谢帕德（R.Shepard）和梅茨勒（Metzler）等做了一系列实验。实验的材料是一对对不同方位的立方体的二维形式图（见左图）。要求被试判断所用的时间。（见左图）中的A和B是两对完全相同的图形，所不同的仅仅是它们的方位，A中两个物体在平面上相差80°角，B中两个物体的深度上相差80度角。C中的一对物体是两个方位和结构都不同的物体。谢帕德和梅茨勒制作了一千六百对这类图片，他们请了八位成人被试者进行判断实验。被试者报告了他们判断时使用的方法：首先是把一个物体图形在心理旋转，直到与另一物体的方位相同，然后进行匹配比较，从而作出完全相同或完全不同的判断。以被试者对八百对同物图片判断的结果，可以看出，无论图片所示的物体是在平面上调转（即通过旋转画纸就可以实现），还是在三维深度中旋转（把物体方位旋“进”画纸中去），判断所用的时间同两物图片上的角度差异成线性关系，即旋转的度数越多，反应所用的时间越长见（见上图）。这就是著名的心理旋转的实验。

说明了以下重要事实：（1）表象这一心理现象是客观存在的，是可以用科学的实验方法证明的。心理旋转的实验恰恰证明了表象的存在，并非像行为主义心理学所断言的那样，外界刺激传入大脑，就如同进了黑箱子，人们无法知道头脑是怎样活动的。也不像机能主义心理学那样，单凭被试者的内省报告就来分析人的心理活动。认知心理学用实验进一步揭露信息在大脑中进行加工的过程。（2）证明了表象是物体的抽象的类似物的再现。在没有刺激呈现的情况下，头脑中出会对视觉信息和空间信息进行加工。表象是真实物体的类似物，它是以观念的形式存在于头脑中的，它具有直观性。大脑对表象的加工操作类似于对真实物体进行知觉时的信息加工。事实上，心理旋转正是真实的物理旋转的一种类似物。只不过表象是这种实物旋转在头脑中的复现而已，并且复现时不受任何感觉通道的束缚。