在匀速直线运动的火车上，将小球竖直向上抛出后能落回原点的原理主要与惯性和参考系选择有关，具体分析如下：

一、惯性原理

惯性定律

根据牛顿第一定律（惯性定律），物体在不受外力或所受外力平衡时，将保持静止或匀速直线运动状态。 - 当火车匀速行驶时，车厢内物体（如小球）与火车具有相同的速度。 - 当小球被抛出时，由于惯性，它在水平方向上仍保持与火车相同的速度继续运动。

相对静止状态

- 在火车内部，以火车为参考系，小球和火车之间没有相对运动。 - 因此，小球在水平方向上不会因抛出动作产生位移，只会做竖直方向的抛体运动。

二、参考系的影响

以火车为参考系

- 小球被抛出后，水平速度与火车一致，垂直方向做自由落体运动，最终会落回抛出点正下方。

以地面为参考系

- 小球具有与火车相同的水平速度，但同时具有竖直方向的初速度，因此其运动轨迹是抛物线，落点会偏向列车前进方向。

三、特殊情况说明

列车加速或减速：

若列车在抛球过程中加速或减速，小球由于惯性会继续以原速度运动，可能导致落点偏离原点。

开放环境干扰：若在车厢顶部抛球，风力等外部因素可能干扰球的运动轨迹，使其不落回原点。

四、总结

在匀速直线运动的火车上，小球能落回原点的核心原因是惯性的作用，使得小球在水平方向上保持与列车相同的速度。这一现象体现了参考系对运动描述的重要性。