Температура воды массой m1 и m2 равно Т1 = 500С, Т2 = 00С соответственно. 1. В каком соотношении надо смешать две массы воды, чтобы смесь имела температуру Т3 = 200С? 2. Если m1 = 3 кг, то чему равен m2? 3. В каком соотношении надо смешать две массы воды, чтобы смесь имела температуру Т3 = 300С? 4. Если в этом случае m2 = 2 кг, то чему равен m1?

Нет. Не может. Потенциальная энергия – это вовсе не всё, что угодно – что "берётся относительно какого-то уровня".

[1] Чтобы понять ответ на ваш вопрос (а он хороший и глубокий), нужно понять саму философию введения понятия потенциальной энергии. Отправная точка в рассуждениях – название (!) этого понятия. "Потенциальная" – т.е. что-то, что имеется в потенциале, но ещё не реализовано.

Например – мяч лежит на балконе какого-то этажа в совершеннейшем покое, но если он упадёт на землю с балкона – он наберёт какую-то кинетическую энергию. И вот это-то значение кинетической энергии в гипотетическом (потенциальном) будущем – и называется потенциальной энергией мяча в тот момент, когда он ещё никуда не упал, а только имеет такую гипотетическую (потенциальную) возможность...

Если мяч упадёт не на землю, а в котлован, т.е. на более низкий уровень – то он наберёт бóльшую кинетическую энергию, а значит, его потенциальная энергия, рассчитанная относительно дна котлована должна быть больше. Но это – частный случай, не имеющий отношения к пружине. О пружине – смотрите пункт [6].

[2] Потенциальная энергия в консервативном гравитационном поле, рассчитываемая по формуле mgh – действительно зависит от точки отсчёта и можно точку отсчёта выбрать так (выше балкона), что потенциальная энергия мяча на балконе в гравитационном поле станет меньше нуля.

С точки зрения самого понятия потенциальной энергии – это будет несколько странно, тогда получается, что при падении на нулевой уровень мяч набрал бы отрицательную кинетическую энергию, но кинетическая энергия не может быть отрицательной! Но это просто означает то, что мяч с более низкой точки в более высокую точку и не полетит.

[3] Важно понимать, что потенциальная энергия это не "формула" mgh, а физическое понятие, описанное выше в формулировке [1]. В самом широком спектре разделов физики и в самых разных задачах возникает необходимость введения понятия потенциальной энергии, и в разных ситуациях – для потенциальной энергии используются различные формулы.

Да, собственно, и гравитационная потенциальная энергия должна рассчитываться по формуле U = -GM/R, как она и рассчитывается при вычислении орбит спутников, движении планет и звёзд. Выражение mgh для потенциальной энергии гравитационного поля – это приближённая формула, которой можно пользоваться только у поверхности Земли.

[4] Вообще говоря, потенциальная энергия – это не что иное, как учёт работы в системе полей или сил. В примере с мячом из пунктов [1] и [2], например, его начальная кинетическая энергия была равна нулю, а когда он подлетал к земле – она имела некоторое приличное значение. Откуда взялась эта кинетическая энергия?

Она взялась из-за работы силы тяготения. Можно считать работу силы тяжести, а можно просто ввести новое понятие – ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, и больше не подсчитывать каждый раз такую работу, а пользоваться однотипной формулой, в которой уже всё учтено. Из того же примера с мячом, который лежит на балконе видно, что в формулу потенциальной энергии обязательно должна входить координата, поскольку именно положение тела определяет его потенциальную энергию в той или иной ситуации.

[5] Итак, на примере с мячом в гравитационном поле, мы выяснили, что для мяча найдутся координаты, в которых он имеет положительную потенциальную энергию – вследствие чего он "потенциально" может упасть на землю и "реализовать эту потенциальную энергию", переведя её в форму кинетической. Так же понятно, что если у мяча потенциальная энергия равна нулю – т.е. он лежит на земле, то он и не может набрать никакой кинетической энергии.

Если же мяч лежит в котловане (в яме), то упав на землю (!) – он не может набрать никакой кинетической энергии, потому что это вообще бессмысленная постановка вопроса – мяч из ямы не может упасть на поверхность земли – это абсурд. Именно в этой ситуации потенциальная энергия в поле гравитации – отрицательна.

[6] В случае с пружиной всё совсем не так. Если пружина не деформирована, то её потенциальная энергия равна нулю, это означает, что если грузик на пружине в состоянии равновесия предоставить самому себе – он не наберёт никакую скорость и никакую кинетическую энергию. Если же пружина деформирована, то при отпускании грузика на такой пружине – грузик устремится к равновесию и наберёт в точке равновесия определённую скорость и будет иметь кинетическую энергию, которая перейдёт в эту форму из потенциальной.

Причем, важно понимать (!), что безразлично как деформирована пружина, сжимаем мы её или растягиваем – грузик на пружине всё равно будет устремляться к точке равновесия и набирать скорость, а значит и кинетическую энергию, которая будет появляться из потенциальной энергии деформации пружины. Т.е. потенциальная энергия пружины при любом деформации: и при сжатии, и при растяжении – положительна!

Всё, с чем имеет дело физика, относится к материальному миру, так что, обобщённо говоря, можно сказать, что физика изучает изменение положения материи в пространстве и времени. Скорость, с которой движется любая часть материи, непосредственно связана с величиной энергии её движения, а в современной физике установлена неразрывная связь в виде прямой эквивалентности энергии и массы материи. Стало быть, мы должны заключить, что материей является, не только первично интуитивно понятное нам проявление массы, но так же и само пространство и время, в котором движется вся материя. Пространство и время – так же являются видом материи. Итак, основным предметом изучения физики является материя. Что прекрасно описывает и старое название этого предмета – «Материальная Философия», которое стало уступать место новому названию «Физика» только в начале XVIII века. Сделав это обобщение, и осознав его, мы, тем не менее, понимаем, что для нас не менее важно, чем до него, уметь различать всевозможные виды материи.

Электрическое поле – это особый вид материи, порождаемый электрическими зарядами и непреложно сопровождающий их. Элементарный электрический заряд в виде точки порождает элементарное сферически-симметричное электрическое поле. Для визуализации пространственного образа такого поля удобно воспользоваться аналогией с «одуванчиком». Центр цветка в такой аналогии – это точечный заряд, а его тончащие лепестки – это электрическое поле. Любая аналогия страдает недостатками, а поэтому следует сказать, что в реальном элементарном электрическом поле – плотность электрического поля, с удалением от точечного заряда, постепенно уменьшается, но никогда не оказывается равной нулю. Представляемый нами одуванчик имеет окончательную поверхность. А элементарное электрическое поле точечного заряда – истончается, истончается, истончается... но никогда не исчезает полностью, на расстоянии даже в квинтиллионы километров.

Поскольку элементарное сферически-симметричное электрическое поле, порождаемое любым точечным электрическим зарядом, является непреложным, т.е. существует всегда, пока существует заряд, и перестаёт существовать при исчезновении источника поля, то вообще говоря, нет смысла рассматривать в понятийном смысле: электрическое поле отдельно от заряда. Точно так же как нет смысла рассматривать по отдельности понятия положительных и отрицательных чисел – одно не имеет смысла без другого. Поле (электростатическое) существует тогда и только тогда, когда существует электрический заряд, а когда существует электрический заряд – непременно существует и его электрическое поле. Таким образом, нужно понимать, что поле электрического заряда – это его «руки» и «ноги», которые у него отнять невозможно. Так что, если мы видим заряженный металлический шар, то нужно понимать, что кроме того, что мы видим (т.е. шар) существует ещё и его электрическое поле, своими тонкими нитями протирающееся сквозь всё необозримое пространство, включая и нас самих – наблюдателей. Причём у любого электрического поля, как и у любой материи, есть и масса и энергия. Так, скажем, если зарядить металлический шар, размером с дыню до 300 вольт, то его внешнее электрическое поле будет весить около 0.00000000001 нанограмма или 0.00000001 пикограмма, что сравнимо с массой примерно 1000 атомов.

Как же можно «потрогать» это невидимое, всепроникающее электрическое поле и является ли оно таким уж всепроникающим? У человека есть несколько достаточно тонко настроенных и развитых чувств. Однако электрический заряд эти чувства не видят, не слышат, не осязают, а поэтому нам нужно построить некоторую модель восприятия – опыт, в котором мы увидим проявление поля – именно это и подразумевается под словом «потрогать». ответ на этот вопрос, как «потрогать» поле проясняет ещё одну важную особенность электрического поля — его векторный характер. И научиться «трогать» поле – довольно просто. Если у нас уже есть один точечный (ну или сферически-симметричный) электрический заряд, то мы можем догадываться, что он порождает/создаёт (а фактически имеет) вокруг себя элементарное сферически-симметричное электрическое поле. Назовём этот заряд, поле которого мы хотим «потрогать» – центральный заряд (ЦЗ).