Изображая распространение света на чертежах, световые пучки заменяют лучами. Световой луч – это линия, указывающая преобладающее направление распространения энергии электромагнитной волны в пучке света. Световой луч является геометрической моделью пучка света.
Характерной особенностью светового луча является его прямолинейность, если свет распространяется в однородной среде. Проделаем опыт. В аквариум нальём воды, добавим каплю молока и перемешаем воду, чтобы она стала мутной. Направим на аквариум луч лазера. Мы увидим, что луч прямолинеен, пока он распространяется в однородной среде – в воздухе или в воде (см. рис. «а»).
Теперь при помощи шланга, опущенного в нижнюю часть аквариума, вольём раствор соли. Его плотность больше плотности воды, поэтому раствор заполнит нижнюю часть аквариума. Однако жидкости частично смешаются друг с другом, и в аквариуме образуется неоднородная среда: плотность его содержимого будет возрастать сверху вниз.
Снова включим лазер. Мы обнаружим, что пока луч идёт в воздухе, то есть однородной среде, он распространяется прямолинейно. На границе раздела сред (воздуха и аквариума) луч преломляется. В неоднородной среде луч распространяется криволинейно, и чем ближе к дну аквариума, тем заметнее искривление луча. Однако после выхода в однородную среду, воздух, луч опять становится прямолинейным (см. рис. «б»).
Итак, закон прямолинейного распространения света утверждает, что лучи света, распространяющегося в прозрачной однородной среде, являются прямыми линиями.
Образование тени и полутени. Для знакомства с этими явлениями проделаем опыты. Электрическую лампу с прозрачным стеклом, мяч и экран подвесим на одной линии. Включив лампу, мы увидим на экране тень мяча (рис. «а»). При этом правее мяча между ним и экраном находится область тени, в которую световые лучи не проникают вообще.
Возьмём теперь лампу с «матовым» стеклом. Мы увидим, что теперь на экране есть не только тень, но и полутень (рис. «б»). Аналогично, между мячом и экраном существует как область тени, куда лучи не проникают вообще, так и область полутени, куда проникают лишь некоторые лучи света.
Почему же возникла полутень? В первом опыте источником света служила спираль лампы. Она имела небольшие размеры по сравнению с расстоянием до мяча и его размерами. Поэтому спираль можно считать точечным источником. Во втором опыте свет испускался уже не спиралью, а баллоном лампы. Его размерами по сравнению с расстоянием до мяча и его размерами уже нельзя пренебрегать. Поэтому баллон следует считать протяжённым источником. От каждой его точки исходят лучи, некоторые из которых попадают в прежнюю область тени, подсвечивая её края и превращая в полутень. Она расположена между красной и синей линиями (рис. «в»).
Как видите, оба рассмотренных явления: образование тени и образование полутени являются экспериментальными подтверждениями закона прямолинейного распространения света.