... сложные слова с корнем пол
В данном случае ответ недостаточен: получается, что дефис соединяет корень и слово в составе сложного существительного?
Единицы типа пол-лимона, пол-Москвы по сути являются словосочетаниями.
Легко заметить, что элемент пол- в подобных единицах тождествен по значению слову половина; ср. пол-лимона и половина лимона, пол-Москвы и половина Москвы. В современном русском языке в слове половина выделяется корень половин-, усеченным вариантом которого и является элемент пол-. Исходя из этого можно предположить, что пол-лимона является либо сложным словом, либо сочетанием слов. Синтаксическое поведение подобных единиц обнаруживает общие свойства именно со словосочетаниями.
Если мы возьмем классическое сложное слово, например медбрат, и начнем склонять его, то обнаружим, что оно, во-первых, имеет формы всех падежей и, во-вторых, при изменении по падежам используются окончания, присоединяемые к концу основы: медбрата, медбрату и т. д. При этом окончания слова медбрат полностью совпадают с окончаниями слова брат, в частности в именительном падеже единственного числа оба слова имеют нулевое окончание. Попытавшись просклонять языковую единицу пол-лимона, мы обнаружим, что она имеет только два падежа — именительный и винительный (Осталось пол-лимона; съел пол-лимона), а в контекст других падежей поставить это сочетание не удается: ср. неправильное *отрезал от пол-лимона, *вспомнил о пол-лимона. При этом слово лимон в таком сочетании имеет окончание -а, то есть окончание родительного падежа, а значит, не может выразить значение именительного или винительного падежа. Обратите внимание, что именно в родительном падеже стоит слово лимон в сочетании половина лимона.
При постановке сочетания половина лимона и подобных в нужный падеж изменяется его главное слово: половины лимона, половину лимона и т. д. Неспособность единицы пол-лимона изменяться подобным образом обусловлена свойствами элемента пол-, не имеющего полного набора форм.
О том, что пол-лимона — это словосочетание, свидетельствует также существующая в разговорной речи возможность постановки внутрь него прилагательного или местоимения: пол крупного лимона, пол этого лимона.
Таким образом, правильный ответ на поставленный вопрос такой: дефис в словах пол-лимона, пол-Москвы и подобных соединяет разные слова в составе словосочетания. Такой же ответ следует дать и для тех случаев, когда пол- пишется слитно: полдома также является словосочетанием.