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如图,在四棱锥PABCD中,底面ABCD为直角梯形,ADBC,∠ADC=90°,平面PAD⊥底面ABCDQAD的中点,M是棱PC上的点,PAPD=2,BCAD=1,CD.

(1)求证:平面PQB⊥平面PAD

(2)若M为棱PC的中点,求异面直线APBM所成角的余弦值;

(3)若二面角MBQC的大小为30°,求QM的长.


解:(1)证明:证法一:∵ADBCBCADQAD的中点,

∴四边形BCDQ为平行四边形,

CDBQ.

∵∠ADC=90°,

∴∠AQB=90°,

QBAD.

又∵平面PAD⊥平面ABCD

且平面PAD∩平面ABCDAD

BQ⊥平面PAD.

BQ⊂平面PQB

∴平面PQB⊥平面PAD.

证法二:∵ADBCBCADQAD的中点,

BCDQBCDQ

∴四边形BCDQ为平行四边形,∴CDBQ.

∵∠ADC=90°,

∴∠AQB=90°,即QBAD.

PAPD,∴PQAD.

PQBQQ

AD⊥平面PBQ.

AD⊂平面PAD,∴平面PQB⊥平面PAD.

(2)∵PAPDQAD的中点,

PQAD.

∵平面PAD⊥平面ABCD,且平面PAD∩平面ABCDAD,∴PQ⊥平面ABCD.

如图,以Q为原点建立空间直角坐标系Qxyz

Q(0,0,0),A(1,0,0),P(0,0,),B(0,,0),C(-1,,0).

MPC的中点,

设异面直线APBM所成的角为θ

则cos θ=|cos〈〉|

∴异面直线APBM所成角的余弦值为.

(3)由(2)知平面BQC的一个法向量为n=(0,0,1).

∵二面角MBQC的大小为30°,

QM的长为.

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