## 初版自序 二十世紀末，許許多多的人們有了一項大發現：原來電腦這麼大眾化，每個人都可以擁有它，在它上面玩各式各樣電動遊戲，用它收發電子郵件，更可以用它來進入浩瀚的網路世界，閱覽無數個人、學校、公司、政府機關、公私團體...提供的資訊。學生找報告資料、病人找藥方、政治人物找支持者、饕客找美食，上網是大家共同的選擇。 而上網並不難，買一部電腦，告訴店家你要上網，帶回家，把電源插頭插上，再把電話線插頭插到電腦上，就算安裝完畢。要上網時，只要打開電腦開關，再用滑鼠按鈕按選，就可操作自如了。（正在推廣的上網方式更簡單，買一個磚頭大小的網路盒，一頭連到電視機，另一頭連到電話線上，只要用一個遙控器就得以上網了，和收看第四台電視一樣簡單。） 科技的發展，使得現代的人必須具備千百倍於前人的知識，以應付日常和工作上的需求。幸好，科技在這方面也提供了幫助，網路就提供方便而豐富的資訊，電子書裡的聲音、靜態和動態圖像、快速檢索功能，都使閱讀更容易更快速。 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 克卜勒有關行星軌道的三大定律，以及牛頓力學定律、萬有引力定律，可說是人類歷史上最偉大的發現，也是現代物理學的基石。兩百多年來，稍有知識的人都一定讀過這些定律，對它們有著或多或少的瞭解。它們也構成中學物理課本裡最重要的章節，國立編譯館出版的高中物理第一冊，封面圖片便是兩個球受到重力，加速運動的情形。 文字和靜態圖片畢竟無法把物體的運動做最清楚的呈現，因此，簡單而優美的定律仍使許許多多的學生費盡腦筋，仍是一知半解。而很多人在死記強背之後，轉眼即忘，無法將這些定律做最基本的敘述。 本書用動態的模型將這些定律呈現出來，讀者還可以用這些模型做實驗，改變物體的質量、位置、初速的大小和方向，觀察物體的相互作用。除了見證在萬有引力定律下，行星會呈現克卜勒的三大定律，也可以觀察到兩個物體質量較相近時，互相牽引運動的情形。這些簡單而優美的定律，在充分瞭解之後，大部份的人應該可以明白它們的彼此關係，終生不忘。 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 即使對克卜勒和牛頓定律能充分瞭解的人，卻也未必對人造衛星的軌道有把握，部份原因可能要歸之於物理教科書，可能為了減輕學生的負擔，教科書都沒有明確說明：人造衛星運行的原理和行星月亮完全相同。充分瞭解克卜勒和牛頓定律的人，絕對可以完全掌握人造衛星的運行軌道。 所有人造衛星軌道都是克卜勒所描述的橢圓形，絕無例外。所不同的，只是有些橢圓較大（同步衛星），有些較小（低軌道衛星），而它們的軌道面與地球的赤道面有不同的夾角，有0度的（保持在赤道上空），有90度的（飛越南北極上空），有介於兩者之間者。 事實上，衛星軌道有通用的參數格式，每個衛星的軌道都有他的參數，只要知道一個衛星的參數，就可以精確知道它的目前和未來位置。所有衛星的參數，在網路上，隨時都可以查到。 衛星軌道參數牽涉到多個三度空間的夾角，很難用平面的圖解說清楚。我們用活動立體模型來說明參數的意義，讀者可以自己任意調變所有參數，觀察軌道的改變，從而清清楚楚地瞭解每一項參數的意義。讀者當可發現，有了好的解說工具，衛星軌道參數其實很簡單。 我們的衛星運轉模型在時間和空間上都是正確的。我們設有一個時鐘，把年、月、日、時、分調到你想要的時間，模型會顯示出所有衛星在地球上空的位置，高度和方位完全正確。讓時鐘走動的話，所有衛星也會隨之各以正確的速度與方向運轉。因此，有了這個模型，隨時想知道某一個衛星（例如，中華衛星一號）的運行情況可說是毫無問題。 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 相對於其它方面的科技，我國在衛星科技方面嚴重落後。中華衛星一號的發射，稍稍引起國人的短暫注意。衛星在通訊、環保、自然資源、國防偵測等方面都扮演著最重要的角色，衛星知識的普及反映一個國家的科技水準，乃至於國力的盛衰。本書之作，希望能有助國人對力學和衛星運行的瞭解與認知。 有一位歷史學家在他的文章裡說：「學歷史的人，浸淫其中，要四十年後，才能寫出一點有意思的東西」。四十年，多漫長的日子！回顧初識克卜勒和牛頓至今，仔細一算，四十年，雖然未到，卻也近了。 古人有「十年磨一劍」的說法。投入和本書有直接關係的時日，包括『當年為考試苦讀克卜勒和牛頓定律、近日的重溫舊夢，自修C 語言、視窗程式設計、Direct-X程式設計，上圖書館借閱百多本圖書，上網搜尋相關資訊』再加上最後「設計和偵錯程式、撰寫和編輯文字」的十個月，加起來，應該不少於十年。如果作者的十年，能節省每位讀者十天的時間，一切就都值得了。 交大資工系 劉振漢 1999年12月 清大物理系 劉安祥 於新竹 E-mail : jhliou@csie.nctu.edu.tw

補記： 看過『4D天文書』的讀者可能會發現兩書的編排風格大異其趣，主要是本書裡有一些數學式子，容易出錯。因此，作者乾脆不假他人之手，全部自己包辦。用「自然輸入法」裡的「許氏鍵盤」，以每分鐘十五字的速度敲入，再用 FrontPage Editor 編排。其間，頗感（許）聞廉兄的處處用心設計，減省許多輸入的時間，受惠良多。 因而想到，不知本書的讀者是否也能同樣地，藉由本書之助，在走入人造衛星的知識殿堂的第一步，能輕鬆地跨越。 本書蒙台大電機系系主任王維新教授、國科會副主委張進福教授推薦，僅對兩位教授及參與本計劃之工作人員致謝。

### 作者簡介 劉振漢 1948 年生 1970 年台大電機系學士；1975 年美國加州柏克萊大學 計算機科學博士 現任 交通大學 資訊工程系 專任教授 劉安祥 1978 年生 1996 年畢業於新竹科學園區實驗高中，同年入清大物理系