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。

类型	代表例子	发光原因
天然光源	太阳、萤火虫、发光水母、闪电	核聚变、化学反应、放电等自然过程
人造光源	白炽灯、LED灯、蜡烛、霓虹灯	电能或化学能转化为光能

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。

判断一个物体是否是光源，关键看它是“自己发光”还是“反射其他物体的光”。自己发光的才是光源；靠反射别处光线才能被看见的，不是光源。

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。

光的直线传播是以“同一种均匀介质”为前提的。光在真空、均匀空气、水、玻璃等单一介质中各自都沿直线传播；但在两种介质的交界面处，或者介质密度不均匀时，光路会发生改变。

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。

光速极大，日常生活中几乎感受不到光传播的时间延迟。但在天文尺度上，这种延迟非常显著。距离地球最近的恒星（比邻星）发出的光，要走约 4.2 年才能到达地球——这就是“光年”这一距离单位的由来。

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：

区域	光照情况	视觉效果
本影	来自光源各个部位的光全部被遮住	完全黑暗，最暗
半影	光源只有部分被遮住，仍有部分光照到	灰暗，有明暗过渡

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。

在日光灯管这种较大面积光源的照射下，影子边缘模糊，这正是本影与半影共存的结果。而激光笔（近似点光源）照射出的影子边缘非常清晰，两者形成鲜明对比。

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。

月球进入的区域	看到的现象
地球本影	月全食——月球几乎看不见或呈红色
地球半影	月偏食——月球部分变暗

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。

日食和月食并非每个月都发生，这是因为月球绕地球运行的轨道平面与地球绕太阳运行的轨道平面之间有约 5° 的夹角，大多数时候三者并不排列在同一条直线上，因此日食和月食是相对罕见的天文现象。

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。

小孔成像得到的是倒立的实像。“实像”意味着光线真实汇聚，可以投影在光屏上。这与平面镜所成的虚像（光线并未真实汇聚，不能投影在屏上）有本质区别。

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

答案：C

知识点：日食与月食的成因。日食发生时，月球位于太阳与地球之间（A 错，A 描述的是月食的条件）；月食发生在农历十五（望日）前后，不是初一（B 错）；日全食时，观测者处于月球本影区域内，来自太阳的光全被月球遮住，完全看不到太阳（C 正确）；月全食时月球进入地球本影，但地球大气层仍会将少量红光折射到月球上，月球呈暗红色而非全黑（D 错）。

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？

答案：

（1）从地球到月球，激光传播的距离为 $s = 3.84 \times 10^8\ \text{m}$ ：

$t_1 = \frac{s}{c} = \frac{3.84 \times 10^8\ \text{m}}{3 \times 10^8\ \text{m/s}} = 1.28\ \text{s}$

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。

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？

答案：

（1）根据小孔成像的比例关系：

$h' = h \times \frac{v}{u} = 8\ \text{m} \times \frac{0.4\ \text{m}}{16\ \text{m}} = 8 \times 0.025\ \text{m} = 0.2\ \text{m}$

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。

光的直线传播

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。

类型	代表例子	发光原因
天然光源	太阳、萤火虫、发光水母、闪电	核聚变、化学反应、放电等自然过程
人造光源	白炽灯、LED灯、蜡烛、霓虹灯	电能或化学能转化为光能

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。

判断一个物体是否是光源，关键看它是“自己发光”还是“反射其他物体的光”。自己发光的才是光源；靠反射别处光线才能被看见的，不是光源。

点光源与面光源

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

光线

光的直线传播的验证

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

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：

区域	光照情况	视觉效果
本影	来自光源各个部位的光全部被遮住	完全黑暗，最暗
半影	光源只有部分被遮住，仍有部分光照到	灰暗，有明暗过渡

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

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。

月球进入的区域	看到的现象
地球本影	月全食——月球几乎看不见或呈红色
地球半影	月偏食——月球部分变暗

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

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（　　）

第3题　关于日食和月食，下列说法正确的是（　　）

答案：C

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？

答案：

（1）从地球到月球，激光传播的距离为 $s = 3.84 \times 10^8\ \text{m}$ ：

$t_1 = \frac{s}{c} = \frac{3.84 \times 10^8\ \text{m}}{3 \times 10^8\ \text{m/s}} = 1.28\ \text{s}$

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。

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？

答案：

（1）根据小孔成像的比例关系：

$h' = h \times \frac{v}{u} = 8\ \text{m} \times \frac{0.4\ \text{m}}{16\ \text{m}} = 8 \times 0.025\ \text{m} = 0.2\ \text{m}$

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。