在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。这是最基本的光学现象，能够解释影子的形成、日食、小孔成像等日常现象。

物理内涵： 该定律是费马原理在均匀介质中的直接体现。费马原理指出光沿光程极值（极大、极小或常量）的路径传播，且光程 = 几何路径 × 介质的折射率；由于在均匀介质中折射率恒定，光程与几何路径成正比，此时极值仅存在 “最短光程” 对应的唯一直线路径（无实际可实现的 “最大光程” 路径），因此光沿直线传播。

均匀介质：物理性质（如密度、浓度、折射率 n）在内部各点均相同，光传播时不会因介质差异发生偏折（如小孔成像）；
非均匀介质：物理性质随空间位置变化，其密度或成分差异导致折射率不均，光的传播速度随之改变，进而使光线路径连续弯曲（如海市蜃楼等现象）。

海市蜃楼（下蜃景）
这张图直观地揭示了海市蜃楼下蜃景的形成之谜。左侧的观察者看到了一个诡异的景象：一个真实的骆驼，其下方竟有一个倒立的虚像。
为什么会出现这个“倒影”？关键在于光线穿越了非均匀的大气。沙漠地表炽热，导致近地面空气温度高、密度小（折射率低），而上层空气更凉爽、密度大（折射率高），使得来自物体的光线并非直线传播，而是沿着一条向下弯曲的弧线（路径 b）​ 前进。

然而，我们的大脑和眼睛默认“光线走直线”。因此，当弯曲的光线（b）最终进入人眼时，大脑会不假思索地逆着光线最后的入射方向，反向追索，将其“脑补”成一条直线（路径 c）。正是这条脑补的视线（c），让我们坚信光源（即虚像）位于真实物体的下方，从而看到了那个并不真实存在的倒立幻影。作为对比，图中路径 (a) 则展示了在均匀介质中光线本应遵循的直线路径。

小孔成像
小孔成像（或称暗箱效应，Camera Obscura）是光的直线传播定律最经典、最直观的应用之一。
假设有一个完全封闭的暗箱，其中一面墙上开了一个非常小的圆孔（针孔）。当外界的景物发出或反射的光线射向这个暗箱时，大部分光线被墙壁阻挡。只有极少数沿着特定直线方向、恰好能穿过小孔的光线才能进入暗箱内部。

由于光线是沿直线传播的，不同点发出的光线在小孔处交汇后继续沿直线传播，最终在后壁形成一个倒立（上下颠倒）且左右相反的实像。这个现象完美地展示了光如何保持其直线轨迹。小孔越小，通过的光线束越窄，形成的像就越清晰（但亮度越暗）；反之，小孔越大，光线散射越多，像就越模糊。