光的直线传播

光是人类感知世界最直接、最重要的方式之一。人们能够看到五彩缤纷的世界，分辨物体、感知空间，都是因为有光存在。白天，阳光穿透层层云雾，洒满大地，让我们拥有明亮和温暖；夜晚，无数灯火驱散黑暗，为人类的活动提供了可能。晴天时，树荫下斑驳的圆形光斑，是阳光透过树叶间隙在地面上留下的痕迹；清晨和傍晚，海边地平线上，太阳还没完全落下时下边缘先消失，也是光传播方式的结果。生活中类似的例子还有很多，比如路灯下清晰的影子、电影院银幕上的小孔成像、甚至日食与月食的发生，背后都离不开光是如何传播的物理规律。

物理学研究光，首先要关心：光是从哪里发出的？它是怎样传播到我们眼中的？传播过程需要多长时间？这些问题的答案就是光传播过程的基本规律。掌握了光的直线传播原理，不仅能够理解日常生活中的影子、日食月食、小孔成像等一系列现象，还为进一步学习光的反射、折射等更复杂的内容奠定了基础。理解光线的本质和传播方式，有助于我们深入认识物理世界的结构，更好地应用光学知识解决实际问题。

光源

能够自己发出光的物体叫做光源。

光源的分类

自然界中存在许多天然光源，人类也制造出了大量人造光源，两者在发光原理上有所不同，但都满足“自身能够发光”这一基本条件。

月亮不是光源——月球本身不发光，它所呈现的亮白色，来自对太阳光的反射。镜子、白墙同理，能将光反射到人眼中，但自身不发光，不属于光源。

点光源与面光源

在物理分析中，常把体积极小、可以忽略大小的光源称为点光源。点光源是一种理想化的模型，向四周均匀辐射光线。实际中的灯泡、太阳等都有一定大小，属于面光源（扩展光源）。这两种光源在形成影子时会产生不同的效果，后面讲到影子时会具体说明。

光的直线传播

光在同一种均匀介质中沿直线传播，这一规律称为光的直线传播定律。

直线传播的条件

这里有一个关键前提：光只在均匀介质中才沿直线传播。一旦传播介质发生变化（例如从空气进入水中），光的传播方向会发生偏折，这种现象叫做折射，将在后面的内容中专门讲解。即使是同一种介质，如果密度分布不均匀，光路同样会弯曲。

光线

在物理学中，用一条带箭头的直线来表示光传播的路径和方向，这条线叫做光线。光线是一种便于分析的抽象模型，用它可以直观地描述光从哪里出发、向哪里传播，以及在界面处如何改变方向。

光的直线传播的验证

在暗室中，打开一个小手电筒，从侧面观察光束的路径，可以清楚地看到一条笔直的光柱，这就是光在空气中沿直线传播的直接体现。在浑浊的水中通入一束光，同样可以观察到笔直的光路。

光速

光在真空中的传播速度是目前已知最快的速度，用字母 $c$ 表示：

$c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}$

这个数字意味着光每秒能跑大约 30 万千米——绕地球赤道一圈约 4 万千米，光只需约 $\dfrac{1}{7}$ 秒就能绕地球转 7 圈半。

光在不同介质中的传播速度有所不同，介质越“稠密”（光学密度越大），光速越慢：

地球与太阳之间的平均距离约为 $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$，阳光从太阳出发到达地球表面大约需要：

$t = \frac{s}{c} = \frac{1.5 \times 10^{11}\ \text{m}}{3 \times 10^8\ \text{m/s}} = 500\ \text{s} \approx 8.3\ \text{min}$

此刻看到的阳光，其实是大约 8 分钟前从太阳表面出发的。

影子的形成

光沿直线传播，当遇到不透明物体时，物体后方无法被光照到的区域就形成了影子。

点光源形成的影子

当光源是点光源时，光从一个点向四周发出。不透明物体挡住了来自该点的光线，物体背后出现一片完全照不到光的区域，边缘清晰，这就是本影。点光源形成的影子只有本影，边界十分清晰锐利。

面光源形成的影子

当光源有一定大小时，情况更复杂。不透明物体的后方可以分为两个不同的区域：

用一盏较大的灯泡（面光源）照射一个不透明圆球，在圆球后方，正中央有一片完全黑暗的本影区，本影的周围有一圈灰色的半影区。灯泡越大，半影区越宽；光源越小，影子边缘越清晰。

日食与月食

日食和月食是光的直线传播在天文尺度上最典型的现象，本质上就是影子在地球或月球上的投射。

日食

日食发生时，太阳、月球、地球三者接近排成一条直线，且月球位于太阳与地球之间。月球挡住了太阳射向地球的光线，地球上的某些区域落入了月球的影子中。

日全食发生时，天空骤然变暗，气温下降，可以看到太阳的日冕（外层大气），这是天文观测中的重要时机。日食只在 农历初一（朔日 前后可能发生，因为此时月球运行到太阳与地球之间的方向。

月食

月食 发生时，太阳、地球、月球三者接近排成一条直线，且地球位于太阳与月球之间。地球遮住了太阳射向月球的光线，月球进入了地球的影子中。

月全食时月亮并不会完全消失，而是呈现出暗红色，这是因为地球大气层将少量太阳光（尤其是波长较长的红光）折射进入地球本影，投射到月球表面上，所以月球显现出红色光芒，俗称“血月”。月食只在** 农历十五（望日）** 前后可能发生。

小孔成像

在一块不透明的板上开一个极小的孔，将它放在光源（物体）与光屏之间，光屏上会出现物体的一个倒立的像，这就是小孔成像现象。

成像原理

小孔成像的原理正是光的直线传播。来自物体上方某点的光线，穿过小孔后继续沿直线传播，到达光屏的下方；来自物体下方某点的光线，穿过小孔后到达光屏上方。两束光在小孔处“交叉”，导致像的方向与物体相反——上下颠倒，左右也颠倒，形成倒立的实像。

小孔成像中，像与物的大小比例由以下关系确定：

$\frac{h'}{h} = \frac{v}{u}$

其中 $h$ 是物体高度，$h'$ 是像的高度，$u$ 是物体到小孔的距离（物距），$v$ 是小孔到光屏的距离（像距）。

以一根高度 $h = 3\ \text{m}$ 的路灯杆为例，路灯杆距小孔 $u = 6\ \text{m}$，小孔距光屏 $v = 0.5\ \text{m}$，在光屏上形成的像的高度为：

$h' = h \times \frac{v}{u} = 3\ \text{m} \times \frac{0.5\ \text{m}}{6\ \text{m}} = 0.25\ \text{m}$

小孔成像的特点

晴天在树荫下，阳光透过树叶间细小的缝隙投射到地面上，会出现一个个椭圆形或圆形的亮斑。这些亮斑正是太阳的小孔像——太阳是球形的，所以像也是圆形的，而不是树叶缝隙的形状。每逢日食时，地面上的这些光斑也会出现残缺，同步反映日食的进程。

练习题

选择题

第1题　下列物体中，属于光源的是（　　）

A. 月亮　　B. 平面镜　　C. 夜晚发光的萤火虫　　D. 透明的玻璃窗

第2题　下列现象中，能用“光的直线传播”解释的是（　　）

A. 水中的筷子看起来在水面处“弯折”了　　B. 平静水面出现了岸边树木的倒影　　C. 晴天树荫下地面上出现的圆形光斑　　D. 透过放大镜看到放大的文字

第3题　关于日食和月食，下列说法正确的是（　　）

A. 日食发生时，地球位于太阳与月球之间　　B. 月食只可能在农历初一前后发生　　C. 日全食时，处于月球本影区域内的观测者完全看不到太阳　　D. 月全食时，月球会完全消失，变成全黑

第4题　用小孔成像装置观察蜡烛的像，将光屏向小孔靠近（蜡烛位置不变），像的变化是（　　）

A. 像变大，亮度变暗　　B. 像变小，亮度变暗　　C. 像变小，亮度变亮　　D. 像变大，亮度变亮

计算题

第5题　地球到月球的平均距离约为 $3.84 \times 10^8\ \text{m}$，光在真空中的传播速度 $c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}$。

（1）从地球发出的激光照射到月球，需要多长时间？

（2）科学家从地球向月球发射激光，激光到达月球后被反射镜反射回地球，从发射到接收共经过多长时间？

第6题　用小孔成像装置观察窗外一棵大树。该树高度 $h = 8\ \text{m}$，树距小孔的距离 $u = 16\ \text{m}$，小孔到光屏的距离 $v = 0.4\ \text{m}$。

（1）大树在光屏上形成的像的高度是多少？

（2）保持大树和小孔的位置不变，将光屏向小孔方向移动，使 $v' = 0.2\ \text{m}$，此时像的高度是多少？像变大了还是变小了？

激光从地球到达月球需要约 $1.28\ \text{s}$。

（2）激光来回的总路程为地月距离的 2 倍：

$t_2 = \frac{2s}{c} = \frac{2 \times 3.84 \times 10^8\ \text{m}}{3 \times 10^8\ \text{m/s}} = 2.56\ \text{s}$

从发射到接收共需约 $\boxed{2.56\ \text{s}}$。

知识点：光速公式 $s = ct$ 的应用；路程与时间的关系。

大树在光屏上形成的像高为 $0.2\ \text{m}$，即 $20\ \text{cm}$，像是倒立的。

（2）光屏靠近小孔，$v' = 0.2\ \text{m}$：

$h'' = h \times \frac{v'}{u} = 8\ \text{m} \times \frac{0.2\ \text{m}}{16\ \text{m}} = 8 \times 0.0125\ \text{m} = 0.1\ \text{m}$

像的高度变为 $0.1\ \text{m}$，即 $10\ \text{cm}$。与原来的 $20\ \text{cm}$ 相比，像变小了。

光屏靠近小孔，像距 $v$ 减小，像也按比例缩小，符合 $h' \propto v$ 的规律。

知识点：小孔成像的比例关系 $h'/h = v/u$；像的大小随像距变化的规律。