直感的理解

位置エネルギー \(U = mgh\) の \(h\) は「基準面からの高さ」。基準面の選び方で値が変わります。地面を基準にすれば屋上は正、地下は負。屋上を基準にすれば屋上は 0、地下は負。基準面を変えても、位置エネルギーの「差」は変わらないのがポイントです。

物理的に意味があるのはエネルギー差（仕事をするとき）であって、絶対値ではありません。だから基準面はどこに取ってもよいのです。

✏️ 求めるもの

(1) 地面を基準面としたときの屋上・地下の位置エネルギー、(2) 屋上を基準面としたときの屋上・地下の位置エネルギー。

👀 観察のポイント

🔧 使う道具

地面を基準にしたとき：屋上の高さは正、地下の高さは負（地面より下）。それぞれ \(U_{\text{屋}} = mg \cdot h_{\text{屋}}\)、\(U_{\text{地}} = mg \cdot (-h_{\text{地}})\)
屋上を基準にしたとき：屋上の高さは 0、地下は屋上から見るとさらに下なので \(h_{\text{地}} = -(h_{\text{屋}} + h_{\text{地下}})\)
差を確認：どちらの基準面でも「屋上の \(U\) − 地下の \(U\)」が一致することを確かめる（基準面によらない）

注意

位置エネルギーは基準面の取り方で値が変わるので、「位置エネルギーが正/負」は意味がありません。物理的に意味があるのは差（または基準面を統一した上での比較）。問題で何を基準にするかを必ず確認しましょう。

💡 ヒント：重力による位置エネルギー（基準面）